一种抗疲劳断裂仿生椎间盘

1.本发明涉及一种抗疲劳断裂仿生椎间盘，属于医疗器械技术领域。


背景技术：

2.椎间盘是人体脊柱重要的组成部分，随着年龄的增长，人体椎间盘逐渐发生老化或受损会引发单节段或多节段椎间盘退行性疾病，进而造成持续疼痛，这已经成为世界范围内的主要骨骼肌肉系统疾病之一，严重影响患者的生活质量，并给患者家庭带来沉重经济负担。目前椎间盘置换术是治疗椎间盘退行性病变的一种有效方法，其具有维持椎间高度，保留节段运动能力、减少临近关节退变的功能。
3.传统人工椎间盘产品主要由上终板、下终板和核心构成，核心与上终板，下终板的连接方式多采用球窝关节，利用关节具有的特征能够模拟人体椎间盘的运动特征。相比人体生物椎间盘具有6自由度的运动特征，传统人工椎间盘产品仅具备部分运动特征。
4.同时，传统人工椎间盘的上终板、核心和下终板多为刚性构件，并且核心与上终板和下终板的接触方式主要为硬性接触，在往复运动过程中易造成接触表面应力集中，进而出现疲劳断裂的现象，导致传统人工椎间盘使用寿命较短，从而引发不良事故或二次手术等问题。因此亟需设计一种高疲劳强度的仿生椎间盘，有效延长其在体内的使用寿命和期限是传统人工椎间盘开发亟需解决的关键问题之一。


技术实现要素：

5.为解决传统人工椎间盘产品存在的上述问题，本发明的目的是提供了一种抗疲劳断裂仿生椎间盘；同时，兼具人体椎间盘的6自由度运动特征。
6.为实现上述目的，本发明以人体生物椎间盘为蓝本，根据人体生物椎间盘的梯度特征得到启示。
7.人体生物椎间盘在长期的自然选择与进化过程中，其组织结构，材料特征与性能得到了持续优化与提高，其由髓核和纤维环构成，髓核主要成分为含水量较多的蛋白多糖凝胶类物质，富有弹性，具有较低的刚度，纤维环主要成分为胶原蛋白，按照材料软硬分级，内层具有较低的刚度，相比内层外层具有较高的刚度。生物椎间盘通过特有的组织结构和软硬分层的材料属性具有了梯度特征，在人体复杂往复运动过程中，显示了较高的抗疲劳断裂的优异特性。生物椎间盘利用梯度特征实现了局部力学性能优化分布，有效避免了应力集中从而提高了抗疲劳断裂的能力，为仿生椎间盘的设计提供良好的思路。
8.基于人体生物椎间盘的梯度特征，本明采用以下技术方案：
9.一种抗疲劳断裂仿生椎间盘，由上终板、下终板和核心构成，核心一端固定于上终板下部，另一端固定于下终板上部。
10.所述核心包括髓核和纤维环，髓核由聚合物材料构成；纤维环为功能梯度材料，由两种或多种不同模量聚合物材料聚合构成。
11.所述纤维环外表面弹性模量最大，内表面弹性模量最小，纤维环的弹性模量由外
表面到内表面逐次递减，呈连续梯度变化。
12.纤维环内表面弹性模量等于髓核外表面弹性模量。
13.上终板、核心和下终板整体构型为“d”型。
14.上终板上部和下终板下部均设置有尖刺。
15.上终板、下终板和尖刺均材质为聚合物材料。所述的聚合物材料可选用超高分子量聚乙烯或聚醚醚酮或热塑性聚氨酯弹性体橡胶。
16.上终板上部、下终板下部和尖刺外表面设置钛涂层、羟基磷灰石涂层或碳酸钙涂层，涂层材料也可以是其他生物活性材料。
17.与传统人工椎间盘产品相比，本发明具有以下有益效果：
18.1、通过核心变形，上终板和下终板产生相对运动，能够模拟人体椎间盘的屈伸、侧弯、旋转和平移等6自由度运动特征，解决了传统人工椎间盘仅具备部分运动特征的问题。
19.2、核心具有类似人体生物椎间的梯度特征，弹性模量呈连续梯度变化，相比传统人工椎间盘产品，梯度具有较好的抗疲劳断裂能力，在长期往复运动过程中和相同条件下，可有效避免应力集中，提升产品使用寿命。同时上终板，核心和下终板整体构型类似“d”型，接近人体生物椎间盘的形状，增大了受力面积有利于避免应力集中，也可提高产品的抗疲劳强度。
20.3、尖刺有利于维持产品的稳定，钛涂层有利于与椎骨的生物相容。
附图说明
21.图1为本发明结构示意图。
22.图2为本发明核心结构示意图。
23.图3为本发明核心变形示意图。
24.图中：10
‑
上终板；20
‑
核心；21
‑
髓核；22
‑
纤维环；30
‑
下终板；40
‑
尖刺。
具体实施方式
25.如图1所示，一种抗疲劳断裂仿生椎间盘，包括上终板10、核心20和下终板30，核心20一端固定于上终板10下部，核心20另一端固定于下终板 30上部。
26.如图2所示，核心20由髓核21和纤维环22构成，髓核21为热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料；纤维环22为功能梯度材料，由两种或多种不同模量热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料聚合构成，纤维环22外表面弹性模量最大，内表面弹性模量最小，纤维环22弹性模量由外表面到内表面逐次递减，呈连续梯度变化，纤维环22内表面弹性模量等于髓核21外表面弹性模量，在交变载荷作用下，核心20低弹性模量区域会产生相对较大的变形，高弹性模量区域的变形较小，在长期往复运动过程中和相同条件下，利用柔性能够吸收并向周围分散载荷，可有效避免应力集中，提升产品使用寿命。
27.所述上终板10、核心20和下终板30整体构型为“d”型，接近人体生物椎间盘的形状，增大了受力面积有利于避免应力集中，提高产品的抗疲劳强度。
28.如图3所示，通过核心20变形，上终板10和下终板30能够产生相对运动，模拟人体椎间盘的屈伸、侧弯、旋转和平移等6自由度运动特征，解决了传统人工椎间盘仅保留部分运动特征的问题。
29.所述上终板10上部和下终板30下部均设置有尖刺40，有利于维持产品的稳定。
30.所述上终板10，下终板30和尖刺40的材质为聚合物材料。所述的聚合物材料可选用超高分子量聚乙烯或聚醚醚酮或热塑性聚氨酯弹性体橡胶。
31.上终板10上部、下终板30下部和尖刺40外表面均镀有钛涂层或羟基磷灰石涂层或碳酸钙涂层，促进椎骨再生与融合。