全椎间盘置换术（total disc arthroplasty,TDA）是新近发展的治疗严重椎间盘突出手术方法，尽管目前TDA的长期预后并没有在脊柱外科学界内取得一致意见，但其在世界范围内的应用在逐步增多。尽管人工椎间盘的种类较多，但目前较为流行的一种设计是球窝关节，如图1所示。这样设计带来的一个问题是球窝界面间运动时的摩擦。过多的摩擦不仅会造成内置椎间盘松动，而且摩擦带来的碎屑也会造成人工椎间盘周围骨质的溶骨破坏，加剧人工椎间盘松动。如何在增加椎间盘运动功能的同时尽可能减少摩擦成为科学家们关注的课题。近期来自英国伯明翰大学的学者对不同直径及不同材料的人工椎间盘进行体外力学研究，以确定性能最佳的人工椎间盘构造。
图1：球窝设计的人工椎间盘
研究设计的椎间盘型号包括如图2及表1所示。金属材料为CoCr，聚合物材料为超高分子聚乙烯（ultrahigh molecular weight polyethylene,UHMWPE），球直径为10mm，14mm两种，臼直径为10.35mm，14.35mm（0.35mm空隙）。
图2：试验所需的人工椎间盘构成。左上图为金属球，右上图为聚合物臼；左下图为金属臼，右下图为聚合物球
表1：不同样本的表面粗糙系数（surface roughness）
摩擦扭矩测试装置如图3所示。该装置允许前后屈伸15度，侧弯12度，轴向旋转9度及轴向3kN的压力。测试时将球放置在下方固定装置中（lower fixture），将臼放置在上方固定装置中（upper fixture），在测试槽内（bath）加入新生牛血清提取物（蛋白含量30g/l），稳定恒定在37摄氏度。
图3：试验测试装置
测试时维持恒定的轴向压力，1200N，并进行不同频率（0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.50, 1.75, and 2 Hz）的屈伸（屈+6°，伸-3°），侧弯（+2°），轴向旋转（0°-2°）各100个循环，测试过程中通过装置底部的负荷测试单元（load cell）进行摩擦扭矩记录。
试验结果如图4，5，6所示。金属臼/聚合物球人工椎间盘在伸展，侧弯，轴向旋转时的摩擦力矩均要显著大于聚合物臼/金属球人工椎间盘；在0°-6°屈曲时，两者摩擦力矩无显著差异，但在0°-2°屈曲时，金属臼/聚合物球摩擦力矩要显著高于后者。
图4：不同组别，不同直径的球窝关节在不同频率下轴向旋转摩擦力矩
图5：不同组别，不同直径的球窝关节在不同频率下屈曲0°-6°时的摩擦力矩
图6：不同组别，不同直径的球窝关节在不同频率下屈曲0°-2°时的摩擦力矩
基于上述试验数据，研究者认为聚合物臼/金属球人工椎间盘设计较传统金属臼/聚合物球设计至少从减少磨损方面考虑是更合理的设计方案。
