一种传感式水凝胶人工椎间盘及其制备方法

本发明属于人工椎间盘，尤其涉及一种传感式水凝胶人工椎间盘及其制备方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、椎间盘是连接相邻两个椎体的纤维软骨盘，由外围纤维环和中心的髓核组成。纤维环由多层交错排列的纤维软骨环组成，具有较大的坚韧性和弹性，主要作用为承受压力；髓核的主要成分为蛋白多糖，呈果冻状，给予椎间盘灵活的活动空间。因此，椎间盘是一种具有一定的弹性和韧性，可以在一定程度内变形，以缓冲压力的结缔组织。

3、而椎间盘退行性椎间盘疾病(ddd)是指随着年龄的增长，纤维环和髓核的含水量逐渐减少，髓核张力下降，椎间盘变薄，导致椎间盘结构松弛，在腰椎的外力作用下，导致椎间盘的纤维环破裂，髓核突出引发腰腿痛和神经功能的障碍。目前椎间盘退变疾病的治疗方式分为手术和非手术两种。其中，临床中，脊柱融合手术较简单常见，但该手术会导致颈椎或腰椎活动度丧失，相邻节段应力增加从而加速相邻节段退变等。与传统的脊柱融合术相比，采用可植入式的人工椎间盘支架置换严重退变的天然椎间盘组织是一种新兴的脊柱非融合手术方法，能够保留颈椎或腰椎活动度，减缓相邻锥体节段退变。

4、目前在组织工程中，可植入式的人工椎间盘支架多采用金属、陶瓷或者聚合物材料来构建的，如使用静电纺丝或3d打印技术从结构上来模仿人体天然的椎间盘，但是发明人发现，目前的可植入式的人工椎间盘支架存在以下问题：

5、(1)刚性支架与天然椎间盘的机械模量不匹配，容易与上下锥体及周围组织产生磨损，加速退变。虽然能实现椎间盘最基本的承重要求，但难以模拟人体天然椎间盘的运动特点和生物性能，如，不能模仿人体天然椎间盘组织的粘弹性，不能有效地缓冲压力冲击并均匀分散载荷；而且目前的可植入式的人工椎间盘支架大部分缺乏生物相容性，容易引起周围组织炎症反应。

6、(2)目前的人工椎间盘支架大多使用静电纺丝或3d打印技术制造的支架，无法判断其植入后的工作状态，无法定量分析植入后的受力情况；而且使用静电纺丝或3d打印技术制造的人工椎间盘支架工艺复杂，价格昂贵，容易引起椎间盘退行性疾病复发且复发率极高，同时不方便个性化设计。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种传感式水凝胶人工椎间盘及其制备方法，其能够从结构上模仿了天然椎间盘，具有与人体天然椎间盘组织类似的粘弹性，具备优异的抗压强度和机械抗疲劳特性，能有效地缓冲压力冲击并将载荷均匀分散。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种传感式水凝胶人工椎间盘的制备方法。

4、一种传感式水凝胶人工椎间盘的制备方法，其包括：

5、将水凝胶材料和水按照预设质量比形成混合预备溶液；

6、在椎间盘模具中对混合预备溶液冻融循环，得到一体化椎间盘状的水凝胶；

7、在一体化椎间盘状的水凝胶中相对应的纤维环侧壁部位及中间髓核部位均涂覆防水层；

8、将涂覆防水层的一体化椎间盘状的水凝胶进行干燥处理，直至达到预设含水量及初步力学性能要求后，去除防水层；

9、将去除防水层的一体化椎间盘状的水凝胶在盐溶液中再进行水合；

10、将水合后的一体化椎间盘状的水凝胶在去离子水中浸泡预设时间后，得到抗压且保持区域各向异性的水凝胶，最终制备出传感式水凝胶人工椎间盘。

11、作为一种实施方式，所述水凝胶材料包括但不限于聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙二醇类聚合物、藻酸盐类化合物、纤维素类化合物、壳聚糖、明胶、琼脂或多肽类化合物以及双网络或多网络凝胶材料中的任意一种或多种。

12、作为一种实施方式，所述水凝胶材料和水的质量比为：0.05-0.2：1。

13、上述技术方案的优点在于，由于水凝胶材料的含量对人工椎间盘的抗压性能影响显著，水凝胶材料的比例越高，分子链越密集，抗压性能越高，但是超过设定值，比如20％的浓度，水凝胶材料无法全部溶解，因此，水凝胶材料溶液的质量分数具有确定的上限值。

14、作为一种实施方式，所述防水层材料包括但不限于ecoflex有机硅胶材料、共聚物材料、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯类和金属无机材料。进一步的，所述涂覆材料为聚二甲基硅氧烷。

15、作为一种实施方式，所述防水层的厚度为500-1000μm。

16、其中，利用防水层在干燥过程中分区域调控水凝胶的含水量，以使得一体化椎间盘状的水凝胶在不同的位置形成不同的微结构，从而对不同的区域进行力学性能广泛调控。涂覆防水层的部分水分蒸发较少，干燥完毕后该区域的弹性模量相对较低，防水层的厚度过薄过厚均会影响制备出的人工椎间盘的力学性能。

17、作为一种实施方式，根据预设含水量及初步力学性能要求，相匹配调整干燥处理的温度范围及干燥时间。

18、上述技术方案的优点在于，通过调控干燥的温度和时间，能够在一定范围内调控水凝胶的机械性能，达到人工椎间盘即达到天燃椎间盘的含水量，又能达到所需要的力学强度。温度过高水凝胶会再次溶胶化，温度过低水分则蒸发过慢，降低人工椎间盘的制备速度。因此，可根据预设含水量及初步力学性能要求，相匹配调整干燥处理的温度范围及干燥时间。

19、作为一种实施方式，在25℃-70℃条件下进行干燥处理，干燥时间为12-24h。

20、作为一种实施方式，所述盐溶液的浓度为0.5-2m。

21、上述技术方案的优点在于，盐溶液作为一种交联剂，可制备不溶于水的聚合物吸附剂。盐溶液的浓度过低会影响导电性从而进一步影响传感性能，过高则会影响人工椎间盘的机械性能，如抗压强度。

22、作为一种实施方式，冻融循环过程中冷冻的温度为-40～-5℃，冷冻时间为2-24h。

23、作为一种实施方式，冻融循环的次数为3-11次。

24、上述技术方案的优点在于，通过冻融循环使水凝胶材料前驱体溶液实现初步的物理交联，冻融循环的次数和时间会影响水凝胶的聚合效果。

25、本发明的第二个方面提供一种传感式水凝胶人工椎间盘。

26、一种传感式水凝胶人工椎间盘，其采用如上述所述的传感式水凝胶人工椎间盘的制备方法中的步骤制备而成；

27、所述传感式水凝胶人工椎间盘由纤维环部位及髓核部位构成的一体化水凝胶结构；

28、所述传感式水凝胶人工椎间盘的表面设置有电极，所述电极与监控终端相连。

29、其中，在制备出一种传感式水凝胶人工椎间盘后，在其上下表面固定铜线作为电极传输电信号输出，将电信号无线传输到监控终端。电极连接方式包括但不限于单个位置，多个位置以及阵列式传感输出。通过电极设计达到多向传感监测。

30、作为一种实施方式，所述传感式水凝胶人工椎间盘的表面还包覆/涂覆有防粘连层。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、(1)本发明通过可调控质量比的水凝胶材料与混合，经冻融循环后再定向干燥的方法，以一体成型的方式形成一体化椎间盘状的水凝胶，获得与天然椎间盘组织相匹配的机械模量，而且从结构上模仿了天然椎间盘，具有与人体天然椎间盘组织类似的粘弹性，再集合去除防水层的一体化椎间盘状的水凝胶在盐溶液中的水合及去离子处理，进一步提高了人工椎间盘的抗压能力，能有效地缓冲压力冲击并将载荷均匀分散。与现有技术相比大幅提高了水凝胶的抗压性能和机械抗疲劳特性。

33、(2)本发明的传感式水凝胶人工椎间盘可通过两侧的电极设计，将表面受力情况转换为高分辨率、高灵敏度的电学信号，在不同的压缩力和不同的压缩应变下对应不同的电阻变化，具有较高的响应灵敏度，可以根据电阻变化率，感知脊柱活动过程中椎间盘的多向受力情况，在指导严重椎间盘退变患者术后康复方面具有重要应用前景。

34、(3)本发明的传感式水凝胶人工椎间盘具有良好的生物相容性，并且制造成本低，材料简单易得，工艺步骤简单，容易个性化。改善了水凝胶固有的抗压强度差的问题，发挥类比天然椎间盘的力学支撑作用；而且水凝胶结构的人工椎间盘具有防组织粘连的效果，不易与周围组织形成磨损从而引发炎症反应，避免了髓核膨出的问题。

35、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。