近期，四川大學(xué)分析測(cè)試中心張利教授和華西醫(yī)院骨科豐干鈞教授在 Bioactive Materials 上聯(lián)合發(fā)表研究性文章，采用3D打印技術(shù)制備具有負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的熱塑性聚氨酯彈性支架用于椎間盤替代，該負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)“Bucklicrystal”結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，改良后的支架具有優(yōu)異的能量吸收及能量耗散特性，且該支架在壓縮下橫向收縮的負(fù)泊松比特性能有效緩解腰椎間盤突出。
研究內(nèi)容簡介
椎間盤是脊柱的基本組成部分，由中央的膠狀髓核和外周的纖維環(huán)構(gòu)成。椎間盤突出是一種常見的臨床疾病，指凝膠狀髓核從撕裂的纖維環(huán)中突出，壓迫鄰近的脊髓和神經(jīng)，引起患者腰背部疼痛，嚴(yán)重者可致殘疾。當(dāng)椎間盤退變到后期，常需進(jìn)行腰椎間盤置換術(shù)，盡管市面上已有可商用的椎間盤植入物，但大多數(shù)由于其高剛性而不能完全恢復(fù)脊柱的生理功能。泊松比是指材料在單向受拉或受壓時(shí)橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對(duì)值的比值，通常認(rèn)為幾乎所有的材料泊松比值都為正。負(fù)泊松比支架作為一種超材料，在壓縮載荷下產(chǎn)生于不同于傳統(tǒng)材料的收縮現(xiàn)象。本研究通過3D打印構(gòu)建了一種負(fù)泊松比熱塑性聚氨酯（TPU）彈性支架用于椎間盤植入物，可有效緩解腰椎間盤突出。其中，經(jīng)典的負(fù)泊松比“Bucklicrystal”結(jié)構(gòu)由具有6或12個(gè)周期性排列的彈性球殼組成，通過球殼的屈曲和連接節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)。本研究設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種改良的“Bucklicrystal”結(jié)構(gòu)，通過球殼的面與面進(jìn)行連接，增強(qiáng)了該負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在負(fù)載下的機(jī)械穩(wěn)定性，且3D打印負(fù)泊松比支架具有優(yōu)異的能量吸收及能量耗散特性。使用有限元模擬分析了負(fù)泊松比植入物在各種實(shí)際載荷條件（彎曲、扭轉(zhuǎn)、伸展和屈曲）下的力學(xué)行為，結(jié)果表明，與天然椎間盤和傳統(tǒng)正泊松比植入物相比，該新型負(fù)泊松比植入物在實(shí)際載荷條件下表現(xiàn)出更有效的應(yīng)力傳遞和耗散，且在壓縮下橫向收縮的能力能有效緩解腰椎間盤突出。最后，對(duì)負(fù)泊松比植入物的體內(nèi)外生物相容性進(jìn)行了評(píng)估（示意圖1）。
示意圖1 負(fù)泊松比TPU支架用于椎間盤植入
首先，設(shè)計(jì)構(gòu)建相同體積分?jǐn)?shù)的正負(fù)泊松比模型，并通過3D打印成型TPU-X（正泊松比）和TPU-A（負(fù)泊松比）支架，通過有限元分析驗(yàn)證TPU-A相較于天然椎間盤和TPU-X具有更均勻的應(yīng)力分布，且TPU-A表現(xiàn)出典型的負(fù)泊松比效應(yīng)，這一效應(yīng)對(duì)椎間盤退變的抑制作用通過模型進(jìn)行了直觀展示（圖1）。
圖1 正負(fù)泊松比支架的構(gòu)建及變形行為分析
隨后，通過體外力學(xué)測(cè)試分析了TPU-X和TPU-A支架在不同應(yīng)變下的泊松比值，分析比較兩種支架的應(yīng)力應(yīng)變曲線、能量吸收、加載-卸載循環(huán)曲線、多次循環(huán)下的彈性模量及耗散能，結(jié)果表明TPU-A支架因其改良的“Bucklicrystal”結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能（圖2,3）。
圖2 正負(fù)泊松比支架的體外力學(xué)測(cè)試
圖3 正負(fù)泊松比支架的循環(huán)載荷分析
通過CT圖像對(duì)腰椎間盤同步建立有限元模型（圖4）。
圖4 人體腰椎及椎間盤有限元模型構(gòu)建
進(jìn)一步通過人體腰椎及椎間盤有限元模型分析材料在各種實(shí)際載荷條件（彎曲、扭轉(zhuǎn)、伸展和屈曲）下的力學(xué)行為，TPU-A支架作為腰椎間盤植入物相較于天然椎間盤和正泊松比TPU-X支架的應(yīng)力傳遞和耗散更加均勻，且具有更好的抗外部載荷的能力。值得強(qiáng)調(diào)的是，TPU-A植入物在人體載荷下不同于天然椎間盤的明顯膨出及TPU-X的輕微隆出，而是表現(xiàn)出基于負(fù)泊松比效應(yīng)的收縮，可有效預(yù)防椎間盤突出（圖5）。
圖5 人體腰椎及椎間盤在各種實(shí)際載荷下的變形行為分析
該TPU-A植入物與軟骨細(xì)胞及椎間盤髓核細(xì)胞共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的生物相容性及細(xì)胞粘附性（圖6）。
圖6 TPU-A的體外生物學(xué)分析
使用兔椎間盤模型進(jìn)行體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)證實(shí)了TPU-A在植入后相較于缺損組可以一定程度上恢復(fù)椎間盤運(yùn)動(dòng)節(jié)段的機(jī)械及生理功能（圖7,8）。但本工作僅從概念驗(yàn)證角度指出該新型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)植入物在椎間盤替代及預(yù)防椎間盤突出方面的有效性，為未來的設(shè)計(jì)和開發(fā)指明了新方向。在未來的工作中，應(yīng)在大型動(dòng)物模型（如豬、山羊）中進(jìn)行體內(nèi)研究，以充分驗(yàn)證植入物的長期服役性能。
圖7 TPU-A植入兔子椎間盤后的核磁及影像學(xué)評(píng)估
圖8 TPU-A植入兔子椎間盤后的組織學(xué)分析
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