吉林大學： 多材料增材制造制備具有多向剛度的仿生椎間盤
椎間盤退行性疾病(DDD)已成為世界范圍內重大的公共衛生問題。其可能導致脊柱功能喪失，嚴重影響患者的健康和生活質量。人工全椎間盤置換術(A-TDR)是治療DDD的有效方法，可以補償失去的功能并幫助患者進行日�；顒�。然而，由于目前的A-TDR裝置缺乏天然椎間盤(IVDs)的獨特結構和材料特性，無法復制匹配生理運動和表征各向異性行為所需的多向剛度。結構參數和材料特性對圓盤多向剛度的影響尚不清楚。
吉林大學的Guangsheng Song等人基于人類腰椎節段開發了生物激發椎間盤(BIVD-L)。其再現了常見的生理運動所需的多向剛度，并可以通過結構參數和材料參數進行調節。這項研究結果加深了對人類腰椎間盤生物力學行為的認識，并可能為A-TDR裝置的工程和功能應用的設計和制造提供新的靈感。
相關研究成果以“Bioinspired Intervertebral Disc with Multidirectional Stiffness Prepared via Multimaterial Additive Manufacturing”為題，于2023年7月3日發表在《Advanced Functional Materials》上。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202300298
天然椎間盤由髓核(NP)、纖維環(AF)和軟骨板組成。圖1b顯示了NP和AF的微觀結構和材料組成。NP位于內層中心，由親水性蛋白聚糖和水組成。NP是各向同性的，具有良好的靜壓剛度，遠低于周圍由I型膠原和蛋白聚糖組成的AF。AF由膠原纖維和環狀片層組成。其中膠原纖維平行排列嵌入同一片層中，并在相鄰片層中彼此橫向定位，具有復雜的取向和分布特征。如圖1c所示，由于其獨特的結構和材料組成，天然椎間顯示出相當大的靈活性，并使功能脊柱單元能夠執行如壓縮、彎曲、剪切、扭轉等運動學行為。它還可以在壓縮時保持椎間隙的高度，如圖1d所示，并且具有不同的力學性能(圖1e)。這些不同的力學性能表明天然椎間盤的生理剛度是可變的(圖1f)。因此，各向異性的機械性能與復現NP和AF關鍵解剖特征的材料和適當結構密切相關。
圖1 天然椎間盤的生物結構、功能和力學特性示意圖
圖2 BIVD-L結構設計示意圖概述
受天然椎間盤的功能和結構的啟發，該研究設計了一個具有多向剛度特性的BIVD-L工程模型(圖2)。在圖2a中，基于健康志愿者(年齡28歲，身高176 cm，體重75 kg)的計算機斷層掃描(CT)圖像獲得了L4-L5段天然椎間盤的外部形狀。此外，還測量了外部形狀參數，如椎間盤的寬度(WIVD)、深度(DIVD)和高度(H)以及NP的寬度(WNP)和深度(DNP)。根據天然椎間盤的內部結構特點，利用常用的計算機輔助設計(CAD)軟件建立BIVD-L結構模型，整體形式為近似天然椎間盤的字母D(圖2b)。與橫向平面夾角為20°-70°的纖維嵌入同一環空片層中，相鄰兩個片層的纖維呈交錯排列。論文提出的BIVD-L結構模型模擬了天然纖維網絡，并且設計的片層具有梯度剛度以模擬梯度片層，其中內部剛度小于外部剛度。將各向同性NP放置在AF包圍的結構中心，并設計終板形狀，根據L4椎體下表面的尺寸，如下椎體的寬度(WLV)和深度(DLV)確定終板尺寸。龍骨被設計和用于實現與上下相鄰椎體的即時固定(圖2c)。最終生成由內NP、外AF、上下端板組成的一體化BIVD-L工程模型(圖2d)。
圖3 材料性能、多材料制造平臺及多種變形模式
論文基于圖3a所示的結構設計和尺寸參數，采用不同邵氏硬度的聚合物材料制造BIVD-L。較軟的Agilus30 FLX 935可以與較硬的Vero BlackPlus RGD 875按不同比例混合。VeroPureWhite RGD 837具有與骨相似的剛度，通常用于制造剛性部件。通過CCK-8實驗培養小鼠成骨MC3T3細胞，體外評估材料的生物相容性。實驗結果表明，所選材料具有輕度或輕微的細胞毒性。
材料力學試驗使用萬能拉力試驗機進行。結果表明，添加VeroBlackPlus RGD 875可以提高試件的剛度(圖3b)，并可以制備剛度分級結構。因此，選擇Agilus 30 FLX 935制造NP部分，使用FLX 9895制造纖維部分，選擇從FLX 9840到FLX 9895不同邵氏硬度值的材料作為材料制造梯度片層，使用VeroPureWhite RGD 837制造具有足夠強度的軟骨板。
研究團隊使用商用多材料3D打印機制造了BIVD-L。3D打印出的BIVD-L復制了天然椎間盤的結構和材料特征。此外，由于其特殊的結構和材料性能，BIVD-L可以在不同條件下變形和恢復，并具有很大的多向剛度(圖3e)。
圖4 多向剛度的實驗驗證
為了驗證BIVD-L的多向剛度，使用機器人系統建立了測試裝置，如圖4a所示。通過實驗評估BIVD-L是否具有基于典型脊柱行為的多向剛度。相應的荷載-變形曲線如圖4f所示，表明了輸入荷載與輸出位移之間的非線性關系。對于左側彎曲，當彎矩為-7.5 Nm時，最大角度為-8.07°，而對于右側彎曲，當彎矩為7.5 Nm時，最大角度為6.17°。結果表明:左彎剛度小于右彎剛度;在彎曲狀態下，BIVD-L在7.5 Nm的載荷下可以彎曲到6.66°，在擴展狀態下可以在-7.5 Nm的載荷下彎曲到-6.1°。結果表明屈曲時的剛度小于伸展時的剛度。
在左旋狀態下，BIVD-L在7.5 Nm的載荷下可以彎曲到6.08°，在右旋狀態下，在-7.5 Nm的載荷下可以彎曲到-7.09°。結果表明，左旋剛度大于右旋剛度。在軸向壓縮中，當壓縮力達到-280 N時，最大位移為-6.43 mm。從圖4f可以看出，隨著力矩或力的增大，角度或位移有顯著差異，在力矩或力相等的情況下，旋轉角度和位移也不同。上述分析強調了典型運動行為下的剛度在不同情況下是不同的，這表明BIVD-L具有多向剛度。事實上，與在不同載荷條件下剛度幾乎相等的均質材料組成的裝置相比，具有角層結構和多材料組成的BIVD-L通過模仿人類功能脊柱單元的典型三維運動，成功地再現了與天然椎間盤相似的非線性力學性能。令人鼓舞的是，BIVD-L的載荷-位移曲線與相關文獻報道的天然椎間盤相似。為了評估BIVD-L與人工椎體的整合和穩定性的影響，BIVD-L進行了疲勞載荷試驗。疲勞試驗結果表明，經過10萬次循環后，BIVD-L與人工椎體仍保持完整和穩定。此外，該研究進一步探討了幾個層間參數，如取向角、層間硬度和椎間盤高度如何影響多向剛度對加深對天然椎間盤各向異性力學特性的認識具有重要意義。
圖5 纖維取向角、片層硬度和椎間盤高度對多向剛度的影響及與文獻中天然椎間盤數據的比較
為了進一步研究多向剛度的機理，研究團隊設計并制作了幾種不同纖維取向角、層狀硬度和光盤高度的樣品。從圖5可以看出，所有的曲線都表現出明顯的非線性特征。特別是，圖5顯示了典型運動學模式下多向剛度的差異。由圖5a可知，可以通過調節纖維的取向角度來控制多向剛度。與45°取向角相比，30°取向角的剛度減小，60°取向角的剛度增大。結果表明，通過改變纖維取向角可以控制某一方向剛度的減小或增大。找到了最佳的纖維取向角為60°，與天然椎間盤相似，中心纖維取向角相對較小。因此表現出更好的靈活性，邊緣比中心大，顯示出很大的剛性。結果表明，纖維取向角對多向剛度有有利的影響，并且無論我們的結果與天然椎間盤數據是否存在一定的差異，天然椎間盤的纖維取向角都是從中心向外緣逐漸增大的。
圖5b證明可以調整片層硬度來控制多向剛度。硬度值為40A、50A、60A、70A時，部分試件剛度降低，硬度值為60A、70A、85A、95A時，部分試件剛度升高。結果表明，通過改變片層的硬度，可以在一定方向上控制剛度的減小或增大。與天然椎間盤相比，最佳片層硬度值為60A、70A、85A、95A。硬度值(40A, 50A, 60A, 70A)和(50A, 60A, 70A, 85A)的部分ROM也與天然椎間盤相似。從圖5b中，可以觀察到與完整人類尸體的天然椎間盤數據有一定的相似性和差異性。與天然椎間盤的對比表明，天然椎間盤中心的硬度相對較小，因此可以發生較大的變形，然后在靠近邊緣處逐漸增大，徑向上產生較小的變形。雖然與天然椎間盤數據存在一定差異，但針對這一差異的一項關鍵發現證明，可以通過調節片層硬度來匹配天然椎間盤的解剖剛度，這表明人體脊柱天然椎間盤的環形片層實際上具有從內到外的分級結構，并突出了機械分級作為控制多向剛度的方法的潛力。
圖5c表明，椎間盤高度為8 mm時剛度小于10 mm，而椎間盤高度為12 mm時剛度較大。結果表明，在一定方向上剛度的減小或增加可以通過調節盤的高度來控制。最佳盤高為8 mm，與天然椎間盤相近。高度為10和12mm的部分ROM值也與天然椎間盤的值相似。在側彎和軸向旋轉運動的實驗結果表明，天然椎間盤的中心高于邊緣，而屈伸結果表明，前高于后，軸向壓縮結果表明，天然椎間盤的整體高度較低，與天然椎間盤的形態高度一致。與天然椎間盤數據的差異表明，自然椎間盤高度的變化比實驗數據更大，強調了通過調節椎間盤高度來實現多向剛度的方法。這支持了盤高在解釋天然椎間盤的各向異性力學特性中的潛在作用。
目前對天然椎間盤的各向異性力學特性了解甚少。雖然之前的有限元模擬研究僅從纖維取向方面探討了各向異性力學行為，但論文揭示了一個關鍵發現，即可通過調節纖維取向角、片層硬度和圓盤高度來控制多向剛度。目前還沒有基于仿生和MM-AM技術的具有多向剛度的BIVD-L的報道或研究，也沒有對天然椎間盤多向剛度的機理進行分析。這一發現證明了異質結構和多材料特性如何調節天然椎間盤的各向異性力學特性，為其復雜的天然組織的獨特結構、功能和性能之間的關系提供了重要的見解。盡管BIVD-L的多向剛度和機理已通過機器人系統的測試設備成功驗證，但仍存在明顯的局限性，即未考慮影響功能脊柱單元力學性能的一些韌帶和小關節。與實驗結果相比，論文所報道的有限元預測結果與天然椎間盤數據較為接近。結果表明，韌帶復合體和關節突關節會影響關節的力學性能。同時，本研究還沒有考慮體內生物相容性和再生。體內生物相容性實驗有助于消除其他因素的干擾，能充分反映臨床轉化前景。
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