一种匹配终板结构及力学特性的仿生前路椎间融合器

本发明属于仿生植入器械领域，特别涉及一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器。

背景技术：

1、下腰痛是常见的一种腰椎疾病，并呈现年轻化的趋势。研究表明，下腰痛一般是由腰椎退行性改变或特定的职业习惯引起腰椎解剖结构和力学特性改变而致。

2、下腰痛患者经保守治疗无效时，一般采取椎间融合术进行手术治疗。椎间融合术是通过植入椎间融合器使相邻两个椎骨融合，来重建腰椎椎间高度并维持腰椎生物力学稳定性，减轻或消除患者的疼痛。

3、文献调研表明， 近年来新材料与新技术的应用，使得椎间融合器获得了快速发展。尤其是3d打印技术的兴起与应用，使得多微孔结构的制造成为现实。多种多孔结构应用在了椎间融合器的设计之中，有效地提高了椎间融合器的融合性能。

4、目前椎间融合器采用的材料主要包括医用钛合金和聚醚醚酮（peek）。钛合金具有优异的力学性能与良好的生物相容性，能够很好地促进细胞生长，从而实现更好的骨融合。但钛合金具有较高的弹性模量，易造成应力遮挡现象，进而造成融合器下沉。聚醚醚酮弹性模量与皮质骨弹性模量相当，但其生物活性较低，不利于细胞生长，手术后融合较慢，可能会出现松动等问题。因此，椎间融合器植入后与所接触椎骨终板组织的构形匹配和弹性模量匹配至关重要。

5、生物力学研究表明，人的椎骨终板具有弧形曲面，且椎骨终板分布着大小不一的孔，越靠近椎骨终板中心，孔径越大且孔距越小。这种结构使得椎骨终板并不是单一硬度以及单一弹性模量的骨组织，具有越靠近终板中心，终板硬度与弹性模量越小的特性。目前，椎间融合器并不能同时匹配椎骨终板构形以及这种力学性质，可能是造成融合器下沉的重要原因之一。

6、综上所述，椎间融合器由于其结构和弹性模量与相接触终板的不匹配易导致植入后的下沉问题，亟待解决。

技术实现思路

1、本发明针对目前椎间融合器结构和弹性模量与相接触终板的不匹配，从而导致下沉现象的问题，而提供了一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器。

2、一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器，所述仿生前路椎间融合器包括融合器上部（1）、融合器中部（2）和融合器下部（3），三者依次固定连接在一起，且中间开设有植骨窗（5）；所述的融合器上部（1）和融合器下部（3）的外表面为弧形曲面，且设置有固定齿（4）和仿椎骨终板孔状结构的圆形通孔（6）；融合器中部（2）为仿生骨小梁多孔结构。

3、所述的仿生前路椎间融合器横截面形状为人体椎体横截面的形状。

4、所述的植骨窗（5）为长方形，并进行倒角处理。

5、所述的固定齿（4）纵向截面呈现直角三角形且顶角为30°的角状结构，并仿生前路椎间融合以器的纵向中心截面为对称面，对称分布在弧形曲面上。

6、所述融合器上部（1）和融合器下部（3）表面设置的仿椎骨终板孔状结构的圆形通孔（6）为不均匀分布，其分布规律为，靠近植骨窗（5），越密集、孔径越大，远离植骨窗（5），越稀疏、孔径越小；

7、所述的仿椎骨终板孔状结构的圆形通孔（6）的圆孔直径为0.2mm-0.8mm。

8、融合器中部（2）的仿生骨小梁多孔结构，孔径为300μm-700μm，孔隙率为60%。

9、本发明的工作原理及工作过程：

10、本发明为前路椎间融合器，通过前路椎间融合术进行植入。

11、植入合适的位置后，通过固定齿（4）实现固定，植骨窗（5）中填充自体骨或人造骨，以促进骨细胞增殖，加快骨融合过程。

12、融合器上部（1）的上表面与融合器下部（3）的外表面为弧形曲面，能够更好地贴合椎骨终板，从而减少应力集中现象，使应力分布更加均匀，降低下沉的可能性。

13、融合器上部（1）与融合器下部（3）不均匀分布的仿椎骨终板孔状结构的圆形通孔（6），使得融合器上部（1）与融合器下部（3）形成了与人体椎骨终板相似的力学特性，即距离植骨窗（5）越近，其弹性模量越小，与人体椎骨终板的力学特性相匹配，减小应力遮挡效应，降低下沉的可能性。

14、融合器中部（2）为通过泰森多边形生成的仿生骨小梁多孔结构，孔径大小及孔隙率均可调节，利于细胞攀附，促进骨生长，能够实现更快更好的融合，且在保证融合器强度的同时，减轻了融合器质量，在一定程度上降低了椎间融合器下沉的可能性。

15、所述固定齿结构起到固定椎间融合器的作用。

16、本发明的材质为医用钛合金，并采用3d打印技术进行制造。

17、本发明的有益效果：

18、1、本发明的融合器上部（1）与融合器下部（3）的外表面为弧形曲面构形，能够更好地贴合人体椎骨终板，减少应力集中现象，从而起到防止椎间融合器下沉的作用。

19、2、本发明的仿椎骨终板孔状结构的圆形通孔，距离植骨窗越近，其直径越大且孔距越小，这种结构使得融合器上部与融合器下部产生与椎骨终板相似的力学特性，能够更好地和人体终板的结构与力学特性相匹配，减小应力遮挡效应，从而起到了防止椎间融合器下沉的作用。

20、3、融合器中部为仿生骨小梁的多孔结构，该结构有利于骨细胞攀附，促进骨细胞生长，并在保证椎间融合器具有足够强度的同时，减少了椎间融合器的刚度和质量，在一定程度上降低了椎间融合器下沉的可能性。

技术特征：

1.一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器，其特征在

2.根据权利要求1所述的一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器，其特征在于：所述的仿生前路椎间融合器横截面形状为人体椎体横截面的形状。

3.根据权利要求1所述的一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器，其特征在于：所述的植骨窗（5）为长方形，并进行倒角处理。

4.根据权利要求1所述的一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器，其特征在于：所述的固定齿（4）纵向截面呈现直角三角形且顶角为30°的角状结构，并以仿生前路椎间融合器的纵向中心截面为对称轴面，对称分布在弧形曲面上。

5.根据权利要求1所述的一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器，其特征在于： 所述融合器上部（1）和融合器下部（3）表面设置的仿椎骨终板孔状结构的圆形通孔（6）为不均匀分布，其分布规律为，靠近植骨窗（5），越密集、孔径越大，远离植骨窗（5），越稀疏、孔径越小。

6.根据权利要求1所述的一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器，其特征在于：所述的仿椎骨终板孔状结构的圆形通孔（6）的圆孔直径为0.2mm-0.8mm。

7.根据权利要求1所述的一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器，其特征在于：融合器中部（2）的仿生骨小梁多孔结构，孔径为300μm-700μm，孔隙率为60%。

8.根据权利要求1所述的一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器，其特征在于：所述的仿生前路椎间融合器材质为医用钛合金。

技术总结
一种匹配终板结构及其力学特性的仿生前路椎间融合器，所述仿生前路椎间融合器包括融合器上部、融合器中部和融合器下部，三者依次固定连接在一起，且中间开设有植骨窗；所述的融合器上部和融合器下部的外表面为弧形曲面，且设置有固定齿和仿椎体终板孔状结构的圆形通孔；弧形曲面能够更好地贴合人体椎骨终板，减少应力集中现象，仿椎体终板孔状结构的圆形通孔使融合器上部与下部能够更好地和人体终板的结构与力学特性相匹配，降低应力遮挡效应，降低了椎间融合器下沉的可能性；融合器中部为仿生骨小梁多孔结构，减轻融合器质量的同时，有利于骨细胞攀附，促进骨细胞生长，降低了椎间融合器下沉的可能性。

技术研发人员：钱志辉,李光辉,任雷,姜振德,徐晓麟,王坤阳,宋广生,李鸿运,吴佳南,王凯泽,金威龙,任露泉
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15