变刚度仿生椎间盘

1.本发明涉及一种变刚度仿生椎间盘，属于植入器械技术领域。


背景技术：

2.椎间盘退行性疾病是人类常见的多发疾病，治疗方法主要有传统治疗方法和手术治疗两种方法，传统治疗方法包括药物治疗和物理治疗方法等，手术治疗方法包括融合术和置换术。针对轻症患者，主要采用传统药物治疗或物理疗法，但由于传统方法只能缓解疼痛症状而无法彻底治愈，使得手术疗法逐渐成为患者在采用传统治疗方法而效果不理想之后的首选方式。
3.融合术具有手术简单，维持椎间高度，改善病人疼痛的特点，但融合术会使椎间盘节段丧失活动范围和加速邻近椎骨退行性病变。近年来，置换术是采取人工椎间盘替代病变或退化椎间盘，治疗椎间盘退行性疾病的新方式。相比融合术，置换术不仅可维持节段高度，更为重要的是能够保留节段的活动范围，减缓邻近节段椎间盘加速退变的能力，从而有效解决了融合术的不足，近年来在临床上逐渐得到应用，但临床统计结果表明当前的椎间盘置换术后，易于出现所进行置换的椎骨的运动范围不匹配问题，进而导致人工椎间盘假体下沉，脱位等不良事件和二次手术等相关问题。研究表明，这与所植入的人工椎间盘的刚度有着密切联系，当前的人工椎间盘多数由上终板，核心和下终板构成，几乎均为各向同性刚度设计，因此无法调控其在典型生理运动下的运动范围亟需解决。
4.人体的生物椎间盘为问题的解决提供了全新的启发。生物椎间盘具有复杂精细的结构，由髓核和纤维环构成，纤维环由多层胶原纤维板层和胶原纤维构成，每层胶原纤维与板层具有一定的倾角，相邻两层的胶原纤维交叉排列。
5.同时，生物椎间盘胶原纤维的排布方式具有几何非线性，并且材料软硬分布也具有非线性的特征。这些因素综合作用使得生物椎间盘具备了具有各项异性刚度的功能特征，宏观上展现了前屈后伸，侧向弯屈，轴向旋转等生理运动下的协调运动。


技术实现要素：

6.为克服当前的人工椎间盘的不足，本发明提供了一种变刚度仿生椎间盘，具有类似生物椎间盘组织结构和材料属性，能有效再现生物椎间盘变刚度功能特征，进而改善其植入后的运动匹配性。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明根据生物椎间盘功能结构和材料属性得到启发。
9.生物椎间盘通过髓核和纤维环协同作用能够实现前屈后伸，侧向弯屈，轴向旋转和平移的功能特征；通过ct和mri扫描发现纤维环由胶原纤维和胶原纤维板层构成，且具有一定倾斜角度，其角度范围为20
°
～45
°
，相邻两层的胶原纤维呈交叉排列；髓核具有较好的材料柔度和静液压刚度，纤维环则具有较好的弹性，连接上、下椎骨，将髓核包裹在中间；在运动过程中，外部载荷通过椎骨作用于生物椎间盘，通过生物椎间盘被动压缩产生变形膨
胀，并挤压接触的纤维环，纤维环产生拉力限制髓核变形膨胀，但由于胶原纤维产生的拉力不同，导致纤维环每个位置的变形程度不同。
10.基于生物椎间盘的功能结构和材料属性，一种变刚度仿生椎间盘，包括上终板、下终板和核心，核心一端固定于上终板下表面，核心另一端固定于下终板上表面，核心包括外层的纤维环和内层的髓核，纤维环由胶原纤维板层和胶原纤维构成，胶原纤维附着于胶原纤维板表面，并具有倾角，相邻两层胶原纤维交叉排列。
11.胶原纤维的弹性模量不同，胶原纤维后端弹性模量大于前端弹性模量，弹性模量从胶原纤维后端到胶原纤维前端逐次减小。
12.所述上终板、下终板和核心为“d”形。
13.胶原纤维为圆柱形；
14.所述上终板上表面和下终板下表面设置有固定齿，上终板上表面、下终板下表面和固定齿外表面设置有生物活性材料羟基磷灰石涂层。
15.所述上终板、下终板、固定齿、髓核、胶原纤维板层和胶原纤维均为聚合物材料。
16.与当前的人工椎间盘产品相比，本发明具有以下有益效果：
17.1、复制了生物椎间盘的组织结构；
18.2、通过核心的弹性变形，上终板相对下终板能够实现前屈后伸，侧向弯屈，轴向旋转和平移运动；
19.3、通过胶原纤维弹性模量的不同调整结构的刚度，恢复了生物椎间盘各向异性刚度的功能特征；通过胶原纤维变形量的调整限制了上终板和下终板的运动范围；
20.4、核心具有减振功能。
附图说明
21.图1为本发明整体结构示意图。
22.图2为本发明核心结构示意图。
23.图3为本发明纤维环第一层结构示意图。
24.图4为本发明纤维环第二层结构示意图。
25.图5为本发明纤维环第三层结构示意图。
26.图6为本发明纤维环第四层结构示意图。
27.图7为本发明髓核结构示意图。
28.图8为本发明结构变形示意图。
29.图中：100—上终板、200—核心、300—下终板、400—固定齿、201—纤维环、202—髓核、00—胶原纤维板层、11—胶原纤维、i—纤维环第一层、ii—纤维环第二层、iii—纤维环第三层、iv—纤维环第四层、i
‑
00—纤维环第一层胶原纤维板层、i
‑
11—纤维环第一层胶原纤维、i
‑
111—纤维环第一层胶原纤维前端、i
‑
112—纤维环第一层胶原纤维后端、ii
‑
00—纤维环第二层胶原纤维板层、ii
‑
11—纤维环第二层胶原纤维、ii
‑
111—纤维环第二层胶原纤维前端、ii
‑
112—纤维环第二层胶原纤维后端、iii
‑
00—纤维环第三层胶原纤维板层、iii
‑
11—纤维环第三层胶原纤维、iii
‑
111—纤维环第三层胶原纤维前端、iii
‑
112—纤维环第三层胶原纤维后端、iv
‑
00—纤维环第四层胶原纤维板层、iv
‑
11—纤维环第四层胶原纤维、iv
‑
111—纤维环第四层胶原纤维前端、iv
‑
112—纤维环第四层胶原纤维后端。
具体实施方式
30.如图1所示，一种变刚度仿生椎间盘，包括上终板100、核心200和下终板300；核心200一端固定于上终板100下表面，另一端固定于下终板300上表面，上终板100上表面和下终板300下表面设置有固定齿400，通过固定齿400能够使上终板100和下终板300实现与椎骨的生物固定，预防下沉。
31.如图2所示，所述核心200包括外层的纤维环201和内层的髓核202，纤维环201由胶原纤维板层00和胶原纤维11构成，胶原纤维11附着于胶原纤维板层00表面，并具有倾角，相邻两层胶原纤维11交叉排列，本实施例中，倾角根据生物椎间盘胶原纤维的倾角20
°
～45
°
选择，优选的倾角为45
°
，优选的纤维环201层数为4层或4层以上，4层纤维环分别为纤维环第一层i，纤维环第二层ii，纤维环第三层iii和纤维环第四层iv。
32.胶原纤维11为不同模量的聚合物材料，胶原纤维后端112的弹性模量大于胶原纤维前端111的弹性模量，弹性模量从胶原纤维后端112到胶原纤维前端111逐次减小。
33.如图3所示，本实施例中，纤维环第一层i包括纤维环第一层胶原纤维板层i
‑
00和纤维环第一层胶原纤维i
‑
11，纤维环第一层胶原纤维i
‑
11由底端向上端逆时针倾斜，纤维环第一层胶原纤维后端i
‑
112弹性模量大于纤维环第一层胶原纤维前端i
‑
111弹性模量，弹性模量从纤维环第一层胶原纤维后端i
‑
112到纤维环第一层胶原纤维前端i
‑
111逐次减小。
34.如图4所示，本实施例中，纤维环第二层ii包括纤维环第二层胶原纤维板层ii
‑
00和纤维环第二层胶原纤维ii
‑
11，纤维环第二层胶原纤维ii
‑
11由底端向上端顺时针倾斜，纤维环第二层胶原纤维后端ii
‑
112弹性模量大于纤维环第二层胶原纤维前端ii
‑
111弹性模量，弹性模量从纤维环第二层胶原纤维后端ii
‑
112到纤维环第二层胶原纤维前端ii
‑
111逐次减小，纤维环第二层胶原纤维ii
‑
11与纤维环第一层胶原纤维i
‑
11交叉排列。
35.如图5所示，本实施例中，纤维环第三层iii包括纤维环第三层胶原纤维板层iii
‑
00和纤维环第三层胶原纤维iii
‑
11，纤维环第三层胶原纤维iii
‑
11由底端向上端逆时针倾斜，纤维环第三层胶原纤维后端iii
‑
112弹性模量大于纤维环第三层胶原纤维前端iii
‑
111弹性模量，弹性模量从纤维环第三层胶原纤维后端iii
‑
112到纤维环第三层胶原纤维前端iii
‑
111逐次减小，纤维环第三层胶原纤维iii
‑
11与纤维环第二层胶原纤维ii
‑
11交叉排列，与纤维环第一层胶原纤维i
‑
11倾斜方向相同。
36.如图6所示，本实施例中，纤维环第四层iv包括纤维环第四层胶原纤维板层iv
‑
00和纤维环第四层胶原纤维iv
‑
11，纤维环第四层胶原纤维iv
‑
11由底端向上端顺时针倾斜，纤维环第四层胶原纤维后端iv
‑
112弹性模量大于纤维环第四层胶原纤维前端iv
‑
111弹性模量，弹性模量从纤维环第四层胶原纤维后端iv
‑
112到纤维环第四层胶原纤维前端iv
‑
111逐次减小，纤维环第四层胶原纤维iv
‑
11与纤维环第三层胶原纤维iii
‑
11交叉排列，与纤维环第二层胶原纤维ii
‑
11倾斜方向相同。
37.如图7所示，本实施例中，髓核202为热塑性聚氨酯橡胶材料，具有一定的刚度和柔度，能够维持椎间高度和实现缓冲减振功能，髓核202为“d”型。
38.如图8所示，通过核心200的变形，上终板100和下终300能实现前屈后伸，侧向弯屈，轴向旋转和平移运动。
39.所述的胶原纤维板层00为聚氨酯聚合物材料，胶原纤维11为不同模量的聚氨酯聚合物材料，当外部载荷作用于上终板100或下终板300表面时，核心200会压缩膨胀，纤维环
201具有很好的弹性会产生拉力限制髓核变形膨胀，但由于胶原纤维11弹性模量不同，高弹性模量区域变形较小，低弹性模量区域变形较大；因此，通过胶原纤维11弹性模量的不同能够实现结构的变刚度，恢复生物椎间盘各向异性刚度的功能特征。
40.本实施例中，所述的上终板100，下终板300和核心200为“d”形。
41.本实施例中，所述的胶原纤维11为圆柱形。
42.本实施例中，上终板100、下终板200、固定齿400、髓核202、胶原纤维板层00和胶原纤维11均为聚合物材料。
43.所述的髓核202为热塑性聚氨酯橡胶材料；所述的上终板100，下终板300和固定齿400材质为聚醚醚酮聚合物材料。
44.本实施例中，所述上终板100上表面、下终板300下表面和固定齿400外表面镀有羟基磷灰石层，能够促进与上、下椎骨的生物相容。