人体腰椎间盘退变是世界范围内的重大骨骼肌肉疾病之一。全椎间盘置换是临床治疗中度和重度退变疾病的重要有效方式。然而，当前世界范围内的人工椎间盘均主要采用机械式关节结构设计和均一材料组成，各向刚度趋于一致，导致其植入人体后难以与脊柱的三维生理运动相匹配，易产生系列并发症，如何再现类似人体腰椎间盘的三维各向异性刚度特性是脊柱植入器械领域面临的重要挑战之一。
针对这一难题，吉林大学任露泉院士团队，钱志辉教授、任雷教授课题组创新性提出了仿生变刚度椎间盘的概念与设计策略（Progress in Materials Science, 2023，140，101189）（IF:37.4）；基于天然生物椎间盘的结构和材料梯度特征，课题组成功开发了具有多向刚度特性的仿生椎间盘设计制造技术（Advanced Functional Materials, 2023,33, 2300298）（IF:19.0）; 在此基础上，课题组深入揭示了更接近生物椎间盘的纤维环层纤维精细结构及纤维材料特性对仿生椎间盘三维各向异性刚度特性的影响，通过仅调节纤维排布、纤维硬度和纤维直径实现了对仿生椎间盘三维各向异性刚度的可调可控，支撑复现的脊柱三维生理运动高达90%以上。这一研究结果突出了仿生纤维环层的纤维在仿生椎间盘三维各向刚度调节方面的关键作用，可能有助于启发新一代高性能人工椎间盘的开发。相关研究以“Fiber-Dependent 3D Anisotropic Stiffness-Tunable Biomimetic Intervertebral Disc via Multi-Material Additive Manufacturing”为题发表于Advanced Functional Materials (IF:18.5)，吉林大学工程仿生教育部重点实验室博士生范维果为论文第一作者，吉林大学工程仿生教育部重点实验室钱志辉教授和任雷教授为通讯作者。英国The University of Manchester，瑞士Schulthess Clinic，德国University of Ulm为研究合作单位。该研究获得国家自然科学基金面上（No. 52175270）及创新群体项目（No. 52021003）等资助。图1 人体腰椎间盘的结构、材料特征及三维各向异性刚度特性如图1所示，人体的腰椎间盘主要包括三部分：髓核，纤维环层和软骨终板。其中，髓核呈凝胶状、可产生大变形，纤维环层则由 15-25 个同心层组成，这些层分别由基质和胶原纤维组成。在每一层中，纤维的角度呈梯度变化，而在相邻层中，纤维取向交替变化，整体呈现了纤维交织的精细结构特征。由于这一独特而精巧的纤维结构和材料梯度，使得人体的腰椎间盘能够承受复杂的三维生理运动载荷，如压缩、弯曲、扭转和剪切，并表现出显著的各向异性刚度特性。图2 基于椎间盘纤维环层纤维结构和材料特性的仿生椎间盘设计基于这一启发，课题组进行了三维各向异性变刚度椎间盘的仿生设计。如图2所示，仿生椎间盘由仿生髓核、过渡区、仿生纤维环层和仿生终板组成。其中，仿生纤维环层的单个层片由基质和纤维组成，相邻基质层中的纤维交叉排列，纤维相对于水平面存在倾斜角，且纤维的倾斜角由前向后逐渐增大，在矢状面两侧呈对称分布，纤维硬度从外向内逐渐减小。之后，课题组进行了仿生椎间盘各组件材料的体外生物相容性和材料力学性能测试，并利用多材料增材制造技术制备了仿生椎间盘，成功复现了生物椎间盘的精细纤维异质结构和纤维材料硬度梯度特征（图3）。在此基础上，课题组基于TA试验机和KUKA机械臂系统搭建了仿生椎间盘性能的体外测试平台，对仿生椎间盘的力学性能和三维各向异性刚度特性进行了系统测试与分析（图4）。研究结果表明，所开发的仿生椎间盘具有良好的抗疲劳特性，并表现出与天然生物椎间盘极为相似的三维各向异性刚度特征。更为重要的是，通过仅调节纤维环层内纤维的硬度、直径和排列方式，即可良好调控生物腰椎间盘的三维各向异性刚度，进而支撑相应腰椎椎骨节段再现三维生理运动高达90%以上（图5）。这一结果着重阐述了仿生纤维环层的纤维特性在调节仿生椎间盘三维刚度以匹配腰椎节段生理运动方面的关键作用，同时它在一定程度可能也有助于深化人们对生物椎间盘纤维环中精细纤维结构和材料特性的生物力学功能的理解，这些见解可能为开发新一代高性能个性化人工椎间盘提供了重要科学依据和启发。图5 纤维特性（排布、硬度和直径）对仿生椎间盘三维各向异性刚度的影响规律
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414275
来源：国际仿生工程学会
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