PFI-TT: Total Intervertebral Disc Replacement Device using Novel Energy Absorbing Materials.
PFI-TT:使用新型能量吸收材料的全椎间盘置换装置。
基本信息
- 批准号:1827288
- 负责人:
- 金额:$ 19.99万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2018
- 资助国家:美国
- 起止时间:2018-08-15 至 2021-07-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
The broader impact/commercial potential of this PFI project is to develop a prototype device aimed at improving the current standard of care for total disc replacement (TDR) procedures. Each year approximately $500,000 Americans will undergo surgery involving intervertebral disc replacement, resulting in a device market well over $1 billion. These procedures, which are most often interbody fusions or TDRs, are associated with a high rate of complications. Approximately one-third of patients will ultimately require a follow-up procedure. Although the underlying causes are unclear, the biomedical devices most often used are significantly stiffer than the original intervertebral disc, and no cushioning or force dissipation occurs across the disc space; this is likely a significant factor for complications such as subsidence and adjacent level disease. This study will be the first cyclic loading investigation into the use of novel liquid crystalline elastomers (LCEs) for potential use in spinal devices. If successful, the proposed research will develop LCEs for stable long-term mechanical dissipative properties with a hierarchical structure to mimic the natural organization of the intervertebral disc. Other potential applications involving the use this ultra-dissipative material are for protective equipment used in sports or military, such as helmets to better prevent concussions. The proposed project will investigate main-chain LCEs, which have vastly superior energy dissipation properties relative to traditional rubber-like materials such as silicone or hydrogels. Liquid crystal mesogen reorientation under mechanical stress provides a temperature and frequency insensitive mechanism for dissipating energy, more robust than typical viscoelasticity. This proposed research will be the first to investigate cyclic mechanical properties of main-chain LCEs. The proposed research will result in an LCE proof-of-concept device that exhibits mechanical properties seen in biological soft tissues (i.e., anisotropy, dampening, and low modulus). The LCE will be synthesized a spatially tailored device to match the mechanical properties and structure of a natural disc. The unique liquid-crystal structure within these materials makes cyclic behavior difficult to estimate a priori, and therefore direct characterization as a function of material structure, strain rate, and displacement magnitude must be investigated. High-cycle loading of LCEs will be investigated. Fundamental knowledge gained through this analysis will show the feasibility of LCEs for TDR and demonstrate broad applicability of LCEs for dampening applications. This project builds directly from fundamental research discovery supported by the NSF.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该PFI项目更广泛的影响/商业潜力是开发一种原型设备,旨在提高目前全椎间盘置换术(TDR)手术的护理标准。每年大约有50万美国人将接受椎间盘置换手术,导致器械市场远远超过10亿美元。这些手术通常是椎体间融合或tdr,其并发症发生率很高。大约三分之一的患者最终需要进行随访。虽然根本原因尚不清楚,但最常用的生物医学器械明显比原来的椎间盘更硬,并且在椎间盘间隙没有缓冲或力消散;这可能是造成诸如下沉和邻近水平疾病等并发症的重要因素。这项研究将是首次对新型液晶弹性体(LCEs)在脊柱装置中的潜在应用进行循环加载研究。如果成功,该研究将开发具有稳定的长期机械耗散特性的LCEs,并具有模仿椎间盘自然组织的分层结构。其他涉及使用这种超耗散材料的潜在应用是用于体育或军事中使用的防护设备,例如头盔,以更好地防止脑震荡。拟议中的项目将研究主链lce,它与传统的橡胶类材料(如硅酮或水凝胶)相比,具有更优越的能量耗散特性。机械应力下液晶介质重定向提供了一种温度和频率不敏感的能量耗散机制,比典型的粘弹性更坚固。本研究将首次研究主链LCEs的循环力学性能。拟议的研究将产生一种LCE概念验证装置,该装置展示了生物软组织中的机械特性(即各向异性、阻尼和低模量)。LCE将被合成为一个空间定制的设备,以匹配天然圆盘的机械性能和结构。这些材料中独特的液晶结构使得循环行为难以先验估计,因此必须研究作为材料结构、应变速率和位移幅度函数的直接表征。研究了LCEs的高周载荷。通过分析获得的基础知识将显示lce用于TDR的可行性,并证明lce在阻尼应用中的广泛适用性。本项目直接建立在由美国国家科学基金会支持的基础研究发现之上。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。
项目成果
期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Biocompatible liquid-crystal elastomers mimic the intervertebral disc
- DOI:10.1016/j.jmbbm.2020.103757
- 发表时间:2020-07-01
- 期刊:
- 影响因子:3.9
- 作者:Shaha, Rajib K.;Merkel, Daniel R.;Frick, Carl P.
- 通讯作者:Frick, Carl P.
Mechanical energy dissipation in polydomain nematic liquid crystal elastomers in response to oscillating loading
- DOI:10.1016/j.polymer.2019.01.042
- 发表时间:2019-03-12
- 期刊:
- 影响因子:4.6
- 作者:Merkel, Daniel R.;Shaha, Rajib K.;Frick, Carl P.
- 通讯作者:Frick, Carl P.
Processing and reprocessing liquid crystal elastomer actuators
- DOI:10.1063/5.0044533
- 发表时间:2021-04-07
- 期刊:
- 影响因子:3.2
- 作者:Mistry, Devesh;Traugutt, Nicholas A.;Yakacki, Christopher M.
- 通讯作者:Yakacki, Christopher M.
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