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太原理工大学陈维毅团队提出应力驱动设计策略,实现椎间盘植入物力学与生物学性能协同优化

2026-05-19 18:45:20

🔍研究背景

下腰痛是全球范围内致残的主要原因之一，其中椎间盘退变是核心诱因。尽管脊柱融合术是当前治疗椎间盘退变的金标准，但它会限制脊柱活动，并加速邻近节段的退变。人工全椎间盘置换作为一种保留活动度的替代方案，传统植入物多为球窝结构，无法模拟自然椎间盘的力学分布，导致高达19.5%的10年再手术率。因此，亟需一种既具备良好力学匹配性，又具有优良生物相容性的椎间盘植入物设计方法。

🧪研究方法

研究团队基于L1-L2功能脊柱单元的有限元模型，模拟了七种日常生理运动下的应力分布。利用Gyroid三周期最小曲面结构设计了三种孔隙率（55%、65%、75%）的梯度结构植入物（G55N、G65N、G75N）及其对应的均匀结构植入物（G55Y、G65Y、G75Y）。植入物材料为热塑性聚氨酯，采用选择性激光烧结技术制备。通过力学测试、有限元分析、体外细胞实验和计算流体动力学模拟，系统评估了植入物的力学与生物学性能。

📊研究结果

力学性能最优：G65N在力学响应上最接近自然椎间盘，表现出低加载速率敏感性、低不可逆能量耗散和高循环稳定性。
植入后力学表现良好：G65N植入后的L1-L2 FSU在压缩和屈曲下的应力范围分别为0.00009–26.600 MPa和0.00067–54.090 MPa，端板接触压力和轴向位移均较低，提示植入物下沉风险小。
细胞相容性佳：G65N上细胞增殖略优于G65Y，细胞沿支架结构生长，活细胞比例高。
传质性能优异：G65N和G65Y的渗透率分别为4.43×10⁻⁷ m²和4.33×10⁻⁷ m²，壁面剪切应力分布均匀，有利于营养物质输送和细胞生长。

图1. L1-L2功能脊柱单元的有限元模型。（a）有限元模型的具体组成；（b）边界条件与加载条件。

图2. 梯度结构与均匀结构椎间盘植入物的设计。G55N、G65N和G75N分别表示孔隙率为55%、65%和75%的梯度结构椎间盘植入物；G55Y、G65Y和G75Y分别表示具有相应孔隙率的均匀结构椎间盘植入物。

图3. 本研究建立的有限元模型与以往研究模型在验证中的比较。（a）屈伸运动下的活动范围；（b）左右侧弯运动下的活动范围；（c）左右轴向旋转运动下的活动范围；（d）压缩运动下的力-位移曲线。

图4. 梯度结构（G55N）与均匀结构（G55Y）椎间盘植入物形态对比的扫描电镜图像（比例尺 = 1 mm）。

图5. 3D打印椎间盘植入物的力学性能。（a）六种椎间盘植入物在1 mm/min加载速率下测得的力-位移曲线，并与既往研究中报道的自然椎间盘数据进行比较；（b）G65N和G65Y在不同加载速率下的力-位移曲线；（c）G65N和G65Y典型的加卸载力-位移滞回曲线；（d）G65N和G65Y在四个加卸载循环中每个循环的能量耗散。

图6. 完整和植入椎间盘假体的L1-L2功能脊柱单元在压缩和屈曲载荷下的von Mises应力分布。（a）自然椎间盘与所设计椎间盘植入物在压缩下的应力分布；（b）自然椎间盘与所设计椎间盘植入物在屈曲下的应力分布；（c）完整L1-L2功能脊柱单元及植入G65N和G65Y后的L1-L2功能脊柱单元在压缩下的应力分布；（d）完整L1-L2功能脊柱单元及植入G65N和G65Y后的L1-L2功能脊柱单元在屈曲下的应力分布。