吉林大学：多材料增材制造制备具有多向刚度的仿生椎间盘

| 3DScienceValley · 2023/08/02

谷专栏以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

椎间盘退行性疾病(DDD)已成为世界范围内重大的公共卫生问题。其可能导致脊柱功能丧失，严重影响患者的健康和生活质量。人工全椎间盘置换术(A-TDR)是治疗DDD的有效方法，可以补偿失去的功能并帮助患者进行日常活动。然而，由于目前的A-TDR装置缺乏天然椎间盘(IVDs)的独特结构和材料特性，无法复制匹配生理运动和表征各向异性行为所需的多向刚度。结构参数和材料特性对圆盘多向刚度的影响尚不清楚。

吉林大学的Guangsheng Song等人基于人类腰椎节段开发了生物激发椎间盘(BIVD-L)。其再现了常见的生理运动所需的多向刚度，并可以通过结构参数和材料参数进行调节。这项研究结果加深了对人类腰椎间盘生物力学行为的认识，并可能为A-TDR装置的工程和功能应用的设计和制造提供新的灵感。

相关研究成果以“Bioinspired Intervertebral Disc with Multidirectional Stiffness Prepared via Multimaterial Additive Manufacturing”为题，于2023年7月3日发表在《Advanced Functional Materials》上。

论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202300298

天然椎间盘由髓核(NP)、纤维环(AF)和软骨板组成。图1b显示了NP和AF的微观结构和材料组成。NP位于内层中心，由亲水性蛋白聚糖和水组成。NP是各向同性的，具有良好的静压刚度，远低于周围由I型胶原和蛋白聚糖组成的AF。AF由胶原纤维和环状片层组成。其中胶原纤维平行排列嵌入同一片层中，并在相邻片层中彼此横向定位，具有复杂的取向和分布特征。如图1c所示，由于其独特的结构和材料组成，天然椎间显示出相当大的灵活性，并使功能脊柱单元能够执行如压缩、弯曲、剪切、扭转等运动学行为。它还可以在压缩时保持椎间隙的高度，如图1d所示，并且具有不同的力学性能(图1e)。这些不同的力学性能表明天然椎间盘的生理刚度是可变的(图1f)。因此，各向异性的机械性能与复现NP和AF关键解剖特征的材料和适当结构密切相关。

图1 天然椎间盘的生物结构、功能和力学特性示意图

图2 BIVD-L结构设计示意图概述

受天然椎间盘的功能和结构的启发，该研究设计了一个具有多向刚度特性的BIVD-L工程模型(图2)。在图2a中，基于健康志愿者(年龄28岁，身高176 cm，体重75 kg)的计算机断层扫描(CT)图像获得了L4-L5段天然椎间盘的外部形状。此外，还测量了外部形状参数，如椎间盘的宽度(WIVD)、深度(DIVD)和高度(H)以及NP的宽度(WNP)和深度(DNP)。根据天然椎间盘的内部结构特点，利用常用的计算机辅助设计(CAD)软件建立BIVD-L结构模型，整体形式为近似天然椎间盘的字母D(图2b)。与横向平面夹角为20°-70°的纤维嵌入同一环空片层中，相邻两个片层的纤维呈交错排列。论文提出的BIVD-L结构模型模拟了天然纤维网络，并且设计的片层具有梯度刚度以模拟梯度片层，其中内部刚度小于外部刚度。将各向同性NP放置在AF包围的结构中心，并设计终板形状，根据L4椎体下表面的尺寸，如下椎体的宽度(WLV)和深度(DLV)确定终板尺寸。龙骨被设计和用于实现与上下相邻椎体的即时固定(图2c)。最终生成由内NP、外AF、上下端板组成的一体化BIVD-L工程模型(图2d)。

图3 材料性能、多材料制造平台及多种变形模式

论文基于图3a所示的结构设计和尺寸参数，采用不同邵氏硬度的聚合物材料制造BIVD-L。较软的Agilus30 FLX 935可以与较硬的Vero BlackPlus RGD 875按不同比例混合。VeroPureWhite RGD 837具有与骨相似的刚度，通常用于制造刚性部件。通过CCK-8实验培养小鼠成骨MC3T3细胞，体外评估材料的生物相容性。实验结果表明，所选材料具有轻度或轻微的细胞毒性。

材料力学试验使用万能拉力试验机进行。结果表明，添加VeroBlackPlus RGD 875可以提高试件的刚度(图3b)，并可以制备刚度分级结构。因此，选择Agilus 30 FLX 935制造NP部分，使用FLX 9895制造纤维部分，选择从FLX 9840到FLX 9895不同邵氏硬度值的材料作为材料制造梯度片层，使用VeroPureWhite RGD 837制造具有足够强度的软骨板。

研究团队使用商用多材料3D打印机制造了BIVD-L。3D打印出的BIVD-L复制了天然椎间盘的结构和材料特征。此外，由于其特殊的结构和材料性能，BIVD-L可以在不同条件下变形和恢复，并具有很大的多向刚度(图3e)。

图4 多向刚度的实验验证

为了验证BIVD-L的多向刚度，使用机器人系统建立了测试装置，如图4a所示。通过实验评估BIVD-L是否具有基于典型脊柱行为的多向刚度。相应的荷载-变形曲线如图4f所示，表明了输入荷载与输出位移之间的非线性关系。对于左侧弯曲，当弯矩为-7.5 Nm时，最大角度为-8.07°，而对于右侧弯曲，当弯矩为7.5 Nm时，最大角度为6.17°。结果表明:左弯刚度小于右弯刚度;在弯曲状态下，BIVD-L在7.5 Nm的载荷下可以弯曲到6.66°，在扩展状态下可以在-7.5 Nm的载荷下弯曲到-6.1°。结果表明屈曲时的刚度小于伸展时的刚度。

在左旋状态下，BIVD-L在7.5 Nm的载荷下可以弯曲到6.08°，在右旋状态下，在-7.5 Nm的载荷下可以弯曲到-7.09°。结果表明，左旋刚度大于右旋刚度。在轴向压缩中，当压缩力达到-280 N时，最大位移为-6.43 mm。从图4f可以看出，随着力矩或力的增大，角度或位移有显著差异，在力矩或力相等的情况下，旋转角度和位移也不同。上述分析强调了典型运动行为下的刚度在不同情况下是不同的，这表明BIVD-L具有多向刚度。事实上，与在不同载荷条件下刚度几乎相等的均质材料组成的装置相比，具有角层结构和多材料组成的BIVD-L通过模仿人类功能脊柱单元的典型三维运动，成功地再现了与天然椎间盘相似的非线性力学性能。令人鼓舞的是，BIVD-L的载荷-位移曲线与相关文献报道的天然椎间盘相似。为了评估BIVD-L与人工椎体的整合和稳定性的影响，BIVD-L进行了疲劳载荷试验。疲劳试验结果表明，经过10万次循环后，BIVD-L与人工椎体仍保持完整和稳定。此外，该研究进一步探讨了几个层间参数，如取向角、层间硬度和椎间盘高度如何影响多向刚度对加深对天然椎间盘各向异性力学特性的认识具有重要意义。

图5 纤维取向角、片层硬度和椎间盘高度对多向刚度的影响及与文献中天然椎间盘数据的比较

为了进一步研究多向刚度的机理，研究团队设计并制作了几种不同纤维取向角、层状硬度和光盘高度的样品。从图5可以看出，所有的曲线都表现出明显的非线性特征。特别是，图5显示了典型运动学模式下多向刚度的差异。由图5a可知，可以通过调节纤维的取向角度来控制多向刚度。与45°取向角相比，30°取向角的刚度减小，60°取向角的刚度增大。结果表明，通过改变纤维取向角可以控制某一方向刚度的减小或增大。找到了最佳的纤维取向角为60°，与天然椎间盘相似，中心纤维取向角相对较小。因此表现出更好的灵活性，边缘比中心大，显示出很大的刚性。结果表明，纤维取向角对多向刚度有有利的影响，并且无论我们的结果与天然椎间盘数据是否存在一定的差异，天然椎间盘的纤维取向角都是从中心向外缘逐渐增大的。

图5b证明可以调整片层硬度来控制多向刚度。硬度值为40A、50A、60A、70A时，部分试件刚度降低，硬度值为60A、70A、85A、95A时，部分试件刚度升高。结果表明，通过改变片层的硬度，可以在一定方向上控制刚度的减小或增大。与天然椎间盘相比，最佳片层硬度值为60A、70A、85A、95A。硬度值(40A, 50A, 60A, 70A)和(50A, 60A, 70A, 85A)的部分ROM也与天然椎间盘相似。从图5b中，可以观察到与完整人类尸体的天然椎间盘数据有一定的相似性和差异性。与天然椎间盘的对比表明，天然椎间盘中心的硬度相对较小，因此可以发生较大的变形，然后在靠近边缘处逐渐增大，径向上产生较小的变形。虽然与天然椎间盘数据存在一定差异，但针对这一差异的一项关键发现证明，可以通过调节片层硬度来匹配天然椎间盘的解剖刚度，这表明人体脊柱天然椎间盘的环形片层实际上具有从内到外的分级结构，并突出了机械分级作为控制多向刚度的方法的潜力。

图5c表明，椎间盘高度为8 mm时刚度小于10 mm，而椎间盘高度为12 mm时刚度较大。结果表明，在一定方向上刚度的减小或增加可以通过调节盘的高度来控制。最佳盘高为8 mm，与天然椎间盘相近。高度为10和12mm的部分ROM值也与天然椎间盘的值相似。在侧弯和轴向旋转运动的实验结果表明，天然椎间盘的中心高于边缘，而屈伸结果表明，前高于后，轴向压缩结果表明，天然椎间盘的整体高度较低，与天然椎间盘的形态高度一致。与天然椎间盘数据的差异表明，自然椎间盘高度的变化比实验数据更大，强调了通过调节椎间盘高度来实现多向刚度的方法。这支持了盘高在解释天然椎间盘的各向异性力学特性中的潜在作用。

目前对天然椎间盘的各向异性力学特性了解甚少。虽然之前的有限元模拟研究仅从纤维取向方面探讨了各向异性力学行为，但论文揭示了一个关键发现，即可通过调节纤维取向角、片层硬度和圆盘高度来控制多向刚度。目前还没有基于仿生和MM-AM技术的具有多向刚度的BIVD-L的报道或研究，也没有对天然椎间盘多向刚度的机理进行分析。这一发现证明了异质结构和多材料特性如何调节天然椎间盘的各向异性力学特性，为其复杂的天然组织的独特结构、功能和性能之间的关系提供了重要的见解。尽管BIVD-L的多向刚度和机理已通过机器人系统的测试设备成功验证，但仍存在明显的局限性，即未考虑影响功能脊柱单元力学性能的一些韧带和小关节。与实验结果相比，论文所报道的有限元预测结果与天然椎间盘数据较为接近。结果表明，韧带复合体和关节突关节会影响关节的力学性能。同时，本研究还没有考虑体内生物相容性和再生。体内生物相容性实验有助于消除其他因素的干扰，能充分反映临床转化前景。

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