Diseño biomimético de un dispositivo de prueba de fatiga para prótesis de disco cervical artificial, parte 2

3.3. Simulación de fatiga y experimento de fatiga.

La Figura 7 muestra los contornos de la vida a fatiga del Ti DCI puro dentro de los segmentos de la columna cervical C5-C6 y dentro del dispositivo de prueba de fatiga optimizado en condiciones de flexión. Los mínimos de la vida de fatiga simulada del Ti DCI puro dentro de los segmentos de la columna cervical C5-C6 y dentro del dispositivo de prueba de fatiga fueron 22,397 millones de ciclos (N=107.3502 =22,397,{{12} }) y 21,478 millones de ciclos (N=107.332=21,478,000), respectivamente. Los resultados de fatiga de los DCI de Ti puro y Ti6Al4V dentro de los segmentos de la columna cervical C5-C6 y dentro del dispositivo de prueba de fatiga se simularon en diversas condiciones de carga, como se resume en la Tabla 2. La vida de fatiga simulada de la aleación de titanio supera los 80 millones de ciclos. durante la flexión. En el proceso de extensión y flexión lateral, la vida de fatiga simulada tanto del titanio puro como de la aleación de titanio supera los 80 millones de veces.

Cistanche puede actuar como antifatiga y potenciador de la resistencia, y estudios experimentales han demostrado que la decocción de Cistanche tubulosa podría proteger eficazmente los hepatocitos hepáticos y las células endoteliales dañadas en ratones nadadores que soportan peso, regular positivamente la expresión de NOS3 y promover el glucógeno hepático. síntesis, ejerciendo así eficacia antifatiga. El extracto de Cistanche tubulosa rico en glucósidos feniletanoides podría reducir significativamente los niveles séricos de creatina quinasa, lactato deshidrogenasa y lactato, y aumentar los niveles de hemoglobina (HB) y glucosa en ratones ICR, y esto podría desempeñar un papel antifatiga al disminuir el daño muscular. y retrasar el enriquecimiento de ácido láctico para el almacenamiento de energía en ratones. Las tabletas compuestas de Cistanche Tubulosa prolongaron significativamente el tiempo de natación con carga de peso, aumentaron la reserva de glucógeno hepático y disminuyeron el nivel de urea sérica después del ejercicio en ratones, mostrando su efecto antifatiga. La decocción de Cistanchis puede mejorar la resistencia y acelerar la eliminación de la fatiga en ratones que hacen ejercicio, y también puede reducir la elevación de la creatina quinasa sérica después del ejercicio de carga y mantener normal la ultraestructura del músculo esquelético de los ratones después del ejercicio, lo que indica que tiene los efectos. de potenciación de la fuerza física y antifatiga. Cistanchis también prolongó significativamente el tiempo de supervivencia de los ratones envenenados con nitritos y mejoró la tolerancia contra la hipoxia y la fatiga.

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Los resultados de las pruebas de fatiga de los DCI de Ti puro y Ti6Al4V dentro del dispositivo de prueba de fatiga se obtuvieron bajo diversas condiciones de carga utilizando una máquina de prueba de fatiga Instron-8874, como se muestra en la Tabla 2. Se demostró que los La vida de fatiga experimental de los DCI de Ti puro dentro del dispositivo de prueba de fatiga en condiciones de flexión fue de 35,645 millones de ciclos, mientras que la vida de fatiga de los DCI de Ti puro en otras condiciones experimentales, así como de los DCI de Ti6Al4V en todas las condiciones experimentales, fueron más de 80 millones. ciclos.

4. Discusión

El movimiento fisiológico humano es complicado, integral y cooperativo, lo que resulta difícil de representar con precisión. Sin embargo, sus principales funciones se destacan al imitar las principales estructuras biológicas y principios de control de las vértebras cervicales humanas.

4.1. La racionalidad de los ajustes de carga estática

En particular, 200 N es también la fuerza de compresión por fatiga máxima de rutina aplicada en las pruebas dinámicas de ACD según ASTM F2346 [21,29,30]. Para salvar los parámetros de carga en pruebas biomecánicas con columnas cervicales de donantes cadavéricos y en pruebas estáticas y dinámicas siguiendo ASTM F2346, se puede obtener un momento equivalente adicional ajustando con precisión la distancia excéntrica entre los centros del bloque cuboide 01 y ACD durante el proceso finito. Simulaciones de elementos de los experimentos estáticos y de fatiga. Por ejemplo, en el movimiento de flexión, se aplicó un momento de flexión de 1,8 Nm y una precarga de 73,6 N con una distancia excéntrica de 6 mm entre el centro de la posición del implante de ACD y el centro de los segmentos de la columna cervical C5-C6 sobre la superficie superior de C5. ; por lo tanto, el momento de carga integral fue 73,6 N×6 mm+1.8 Nm=2.242 Nm. Según los métodos de prueba ASTM F2346, se puede lograr una carga integral similar en el dispositivo de prueba de fatiga (es decir, 200 N×11,2 mm=2.240 Nm) sólo ajustando la distancia excéntrica entre la posición de carga de fuerza (cuboide bloque 01) y el centro de ACD a 11,2 mm [29,33]. Asimismo, se pueden obtener cargas integrales idénticas tanto para movimientos de extensión como de flexión lateral.

Mientras tanto, el momento equivalente adicional también se mantuvo estable en el proceso de movimiento debido a la pequeña deformación de los ACD en la prueba de fatiga. Teniendo en cuenta las condiciones experimentales y los diversos requisitos de prueba de los ACD, la metodología de carga anterior no sólo es razonable sino que también se logra fácilmente.

4.2. Optimización del dispositivo de prueba de fatiga biomimética

Cuando el módulo elástico de la placa en U 05 alcanzó 70,000 MPa, la deformación del DCI fue de 0,57 mm, que es el mismo valor que el del DCI con columna cervical C5-C6 humana. segmentos, como se muestra en la Figura 3a. Entre una variedad de materiales candidatos, la aleación 6061 Al fue la más adecuada. Simultáneamente, se confirmó que el espesor y el ancho optimizados de la placa en U 05 eran 1 mm y 30 mm, respectivamente, según la Figura 3b,c. Los tamaños geométricos del bloque cuboide 01 y los bloques cilíndricos 02-04 no tuvieron una influencia obvia en la deformación máxima del DCI, como se muestra en la Figura 4. Por lo tanto, los tamaños de los bloques se determinaron de acuerdo con los de las vértebras cervicales, mientras que los tamaños de los bloques se determinaron de acuerdo con los de las vértebras cervicales. La distancia entre el centro de los bloques cilíndricos 02-04 y el extremo posterior de la placa en U 05 debe estar inclinada hacia la distancia entre el disco intervertebral y los ligamentos.

Los parámetros optimizados del dispositivo de prueba de fatiga biomimética son los siguientes: la aleación 6061 Al es adecuada para la placa en U 05; el espesor y ancho de la placa en U 05 son 1 mm y 30 mm; el bloque epoxi 01 relleno de hidroxiapatita es un cuboide de 25 mm de largo, 10 mm de ancho y 10 mm de alto; el radio y la altura de los bloques cilíndricos de epoxi rellenos de hidroxiapatita 02-04 son 12 mm y 10 mm; y la distancia entre el centro de los bloques cilíndricos 02–04 y el extremo trasero de la placa en U 05 es de 50~55 mm.

Al emplear estas condiciones de carga y el dispositivo optimizado, los resultados simulados de la tensión equivalente máxima del DCI dentro de los segmentos cervicales C5-C6 y dentro del dispositivo de prueba de fatiga presentan una serie de consistencias en los movimientos de flexión, extensión y flexión lateral. como se muestra en la Figura 6.

4.3. La seguridad del dispositivo de prueba de fatiga biomimética

La seguridad del aparato es su fundamento y premisa durante largos periodos de carga cíclica. Las vidas de fatiga simuladas de la placa en U y los bloques fueron de más de 80 millones de ciclos, como se muestra en la Figura 7. Además, la falla del dispositivo de prueba de fatiga biomimética no ocurrió en los 80-millones de ciclos de fatiga. experimentos. Por tanto, se puede concluir que el dispositivo es altamente seguro.

4.4. La equivalencia entre el dispositivo de prueba de fatiga biomimética y las secciones cervicales naturales

Como se muestra en la Figura 5, la sección curva del DCI es propensa a formar fuentes de grietas debido a grandes tensiones; las grietas podrían propagarse gradualmente durante largos períodos de carga cíclica y finalmente causar la fractura por fatiga del DCI cuando los tiempos cíclicos se acumulan más allá de su vida de fatiga.

Bajo la circunstancia de que la tensión y la deformación equivalentes del DCI dentro de los segmentos cervicales C5-C6 son casi las mismas que las del dispositivo de prueba de fatiga biomimética, los resultados de ambas simulaciones de fatiga coinciden bien con los resultados experimentales. La vida de fatiga calculada del DCI dentro de los segmentos espinales cervicales C5-C6 y dentro del dispositivo de prueba de fatiga fue de 22,397 millones de ciclos y 21,478 millones de ciclos, respectivamente, lo que concuerda bien con la vida de fatiga experimental de 35,645 millones de ciclos, como se muestra en la Tabla 2. Es notable que las vidas de fatiga simuladas y los posibles sitios para la falla por fatiga del Ti DCI puro fueron casi los mismos ya sea que estuviera fijado dentro de los segmentos espinales cervicales C5-C6 o dentro del dispositivo de prueba de fatiga, como se muestra en la Figura 7.

En resumen, las prótesis dentro del dispositivo de prueba de fatiga bajo cargas según ASTM F2346 pueden lograr un resultado funcionalmente equivalente al de las cargas biomecánicas dentro de las vértebras cervicales normales.

4.5. Limitaciones del dispositivo de prueba de fatiga biomimética

El presente estudio de dispositivos biomiméticos para pruebas de fatiga tiene dos limitaciones. En primer lugar, el movimiento cervical real incluye no sólo flexión, extensión, flexión lateral y torsión axial, sino también combinaciones de patrones de movimiento únicos dentro del alcance de la fisiología. La torsión axial biomecánica y la precarga no pueden ser equivalentes al momento, que se relaciona con la fuerza de compresión perpendicular a la superficie del bloque cuboide 01, porque no están en un plano común. Por lo tanto, el dispositivo biomimético no puede cumplir los requisitos para la condición de torsión. Además, el dispositivo de prueba de fatiga biomimética solo es adecuado para patrones de carga única, como flexión, extensión y flexión lateral. Desafortunadamente, los patrones de carga única pueden considerarse clínicamente poco realistas.

En segundo lugar, no se deben descuidar las fuerzas musculares en los movimientos de la columna. Los músculos de la columna de carga generan fuerzas de reacción espinales, que pueden ocupar la porción principal de la compresión axial total y las fuerzas de cizallamiento en la columna, afectando aún más la vida útil de las prótesis ACD [34]. Al mismo tiempo, los músculos posteriores pueden ayudar con el equilibrio en posturas de flexión; en consecuencia, los músculos anteriores desempeñan el mismo papel en las posturas de extensión. Pueden reducir las fuerzas de reacción de las articulaciones inferiores y mantener estable la columna [35]. Estos aspectos son importantes para las prótesis ACD, especialmente cuando se aplica carga dinámica o de impacto [36,37]. Desafortunadamente, la sinergia entre los músculos es difícil de investigar porque las muestras in vitro no pueden imitar bien el papel de los músculos [34].

5. Conclusiones

En resumen, se ha diseñado un nuevo soporte para muestras para probar el comportamiento a la fatiga de las prótesis ACD con aspectos de biónica tanto estructural como funcional. La equivalencia entre el dispositivo biomimético diseñado y las secciones cervicales naturales ha sido verificada mediante simulaciones numéricas y experimentos mecánicos. Este dispositivo biomimético de prueba de fatiga representó las características biomecánicas de las vértebras cervicales humanas normales con considerable precisión. El novedoso dispositivo de fijación de muestras proporciona una forma cómoda y precisa de investigar y evaluar el comportamiento de fatiga de las prótesis ACD.

Contribuciones de autor:XC, JB y TW contribuyeron sustancialmente a la concepción y diseño de los experimentos. XC y JB realizaron experimentos y escribieron el manuscrito. TW realizó análisis de datos. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Fondos:Esta investigación fue financiada por el Programa Internacional de Cooperación Científica y Tecnológica (2018YFE0194100), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (51875231) y el Desarrollo del Programa Académico Prioritario de las Instituciones de Educación Superior de Jiangsu.

Declaración de la Junta de Revisión Institucional:No aplica.

Declaración de consentimiento informado:No aplica.

Declaración de disponibilidad de datos:Las contribuciones originales presentadas en el estudio se incluyen en el artículo; Se pueden dirigir más consultas al autor correspondiente.

Conflictos de interés:Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

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