CN115737218A - 防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘 - Google Patents

Abstract

一种防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，包括上终板、核心及下终板，核心上端固定于上终板下表面，核心下端固定于下终板上表面，核心包括保护层、支撑立柱及髓核。支撑立柱采用内凹曲面结构，具有负泊松比特性，从而防止椎间盘膨出。支撑立柱构成区域划分为前部、后部、左侧部及右侧部四个区域，通过调控各区域支撑立柱的截面及间隙大小，实现椎间盘不同区域的刚度调节。髓核在受压变形过程中，通过改变上终板的支撑点，使所在椎体关节转动中心根据不同的旋转运动自动改变，从而复现椎体关节瞬时转动中心的运动轨迹。本发明具有防止膨出、变刚度及复现所在椎体关节瞬时转动中心运动轨迹的功能。

Description

防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘

技术领域

本发明涉及防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，属于植入器械技术领域。

背景技术

腰椎间盘病变和退变是成年人慢性腰痛的主要原因。临床数据显示，在42％持续腰痛症状的患者中均发现有椎间盘破裂的现象，同时在临床CT或MRI医学影像中，可以明显看出大多数慢性腰痛患者都发生了不同程度的椎间盘退变。针对这一病症，目前临床主要采用腰椎融合术或全椎间盘置换术来进行治疗。但腰椎融合术易使得脊柱节段活动功能消失，相邻节段退变风险增加，而全椎间盘置换术既保留了脊柱节段的活动范围，又显著降低了相邻节段退变的风险，从而成为了更先进、有效的治疗方案。

人工椎间盘是全椎间盘置换术中需要植入人体脊柱的关键器械。调研发现，目前世界范围内常用的人工椎间盘多为球窝型设计或一体化无关节设计，球窝型无法有效约束其轴向转动，且其植入后所在椎体节段的转动中心相对固定，无关节型则由于均质材料选用或各向同性结构设计使得其在各个方向的变形无差异,由此使得两类椎间盘假体植入后其所在椎体节段的瞬时转动中心轨迹与生理运动无法匹配(仅能在某一运动平面内较为接近)，进而导致椎间运动和载荷传递失常。而人体生物椎间盘具有变刚度的功能特征，从而更灵活、自然地展现出前屈后伸，左右侧弯，轴向旋转等生理运动，且其瞬时转动中心运动轨迹随生理转动不同而变化。瞬时转动中心的不匹配会导致椎间活动的异常以及后方肌肉的异常受力,造成术后疼痛。同时研究还表明，大多数的人工椎间盘植入一定时间后均易出现膨出的问题，常常需要进行二次手术，给患者造成了极大痛苦。因此，亟需开发一种植入人体脊柱后能够有效防止膨出且能够复现人体原健康椎间盘瞬时转动中心运动轨迹的仿生变刚度人工椎间盘。

发明内容

为解决现有人工椎间盘存在的技术问题，本发明提供了一种防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，从而实现椎体间的前屈后伸、左右弯曲、轴向旋转、平移及其耦合运动，能复现人体生物椎间盘的生理运动功能，解决其瞬时转动中心运动轨迹及膨出的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据负泊松比结构在压缩时收缩、拉伸时膨胀的特点，本发明采用具有内凹曲面结构的支撑立柱，在各个方向压缩时均能向内收缩，从而解决椎间盘膨出问题。通过文献调研发现，人体腰椎椎间盘在L2-3节段，椎体前屈角度约5.9度，后伸角度约2.3度，左右侧旋转角度相等且约0.8度，左右弯曲角度相等且约3.5度，其他节段活动范围与L2-3节段相似。为实现以上人体腰椎间盘的生理运动范围，本发明可通过支撑立柱的截面和间隙大小来调控椎间盘不同区域的支撑强度，实现变刚度的功能，能更好的满足前屈后伸、左右侧弯曲及轴向旋转的运动特点，从而复现人体椎间盘各向异性的功能特征。三层支撑立柱构成的区域划分为前部、后部、左侧部及右侧部四个区域，前部立柱截面最小、间隙最大，左右侧部立柱截面大于前部立柱、间隙小于前部立柱，后部立柱截面最大、间隙最小，从而实现对四个不同区域刚度的调控。此外，髓核的变形能力较强，在受压变形过程中与支撑立柱互相作用，压力越大，髓核变形后充斥于弯曲后的支撑立柱间隙，同时与支撑立柱接触面积更大，支撑立柱之间也相互接触，形成一个类似于人体生物椎间盘静液压结构的整体，支撑也越稳固，支撑中心的改变从而复现所在椎体关节瞬时转动中心的运动轨迹。

一种防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，包括上终板、核心及下终板；核心上端固定于上终板下表面，核心下端固定于下终板上表面，上终板上表面具有上终板钉齿、下终板下表面具有下终板钉齿，上终板钉齿和下终板钉齿对椎间盘进行初始固定，上终板、下终板、上终板钉齿和下终板钉齿表面具有羟基磷灰石层涂层，因羟基磷灰石涂层对骨组织有亲和作用，能诱导未分化间充质细胞分化成骨细胞，进而使椎间盘达到二次固定的目的。

所述的核心是由外面的保护层、中间的支撑立柱及内层的髓核组成；

所述的保护层采用聚碳酸酯基聚氨酯材质，在椎体进行前屈后伸、左右弯曲、轴向旋转、平移及其耦合运动时，保护层产生相应的变形，并能够复原，具有较强的使用耐久性。

所述的支撑立柱包括有小支撑立柱、左侧中支撑立柱、大支撑立柱和右侧中支撑立柱。

所述的支撑立柱具有外部平面结构、内部圆弧结构、内凹曲面，由于支撑立柱具有内凹曲面形成的内部空隙，所以在椎间盘旋转时，通过支撑立柱的自我旋转变形来实现，更容易满足人体生物椎间盘的旋转特性，该支撑立柱为具有负泊松比特点的结构，结构简单，适用于解决椎间盘膨出问题。

所述的髓核为“D”型，能够增加髓核的受力面积，使受力更加均匀，避免局部应力集中。

所述的上终板、下终板及核心为“D”型，更符合人体生物椎间盘的外形特点，使整体受力更加均匀，支撑效果更佳。

所述的支撑立柱从外到内可由两层及以上组成。支撑立柱从外到内优选为三层，分别为外层支撑立柱、中间层支撑立柱、内层支撑立柱，保证髓核具有与人体生物椎间盘类似的体积大小；当椎间盘进行旋转或平移等耦合运动时，位于中间的支撑立柱可提供充足的间隙，使髓核7充斥其中，与支撑立柱16之间相互作用，形成一个类似于人体生物椎间盘静液压结构的整体，达到对脊柱更好的支撑效果。

所述的支撑立柱形成有前部、后部、左侧部及右侧部四个区域，四个区域中①为小支撑立柱的截面，②为中支撑立柱的截面，③为大支撑立柱的截面；四个区域的支撑立柱截面从小到大顺序为：前部小支撑立柱的截面①小于左侧部中支撑立柱的截面②，左侧部中支撑立柱的截面②小于后部大支撑立柱的截面③，左侧部中支撑立柱的截面②等于右侧部中支撑立柱的截面②。此种布局方式可使得椎体向前屈曲时最容易，左右侧弯时次之，向后伸展时活动范围更小，整体活动范围更贴合人体生物椎间盘的活动特点。

所述的支撑立柱形成有前部、后部、左侧部及右侧部四个区域的立柱间隙，各区域支撑立柱间隙从大到小顺序为：前部立柱间大间隙ⅰ大于左侧部立柱间中间隙ⅳ，左侧部立柱间中间隙ⅳ大于后部立柱间小间隙ⅲ，左侧部立柱间中间隙ⅳ等于右侧部立柱间中间隙ⅱ。此种布局方式同样使得椎体向前屈曲时最容易，左右侧弯时次之，向后伸展时活动范围更小，整体活动范围更容易满足人体生物椎间盘的活动特点。

所述的上终板、下终板、上终板钉齿和下终板钉齿的材质为聚醚醚酮聚合物材料；

所述的髓核材质为琼脂糖水凝胶类似物；所述的支撑立柱采用硅树脂材质，其刚度可以通过改变基材和固化剂的比例来调节，以10:1的比例产生适当的负载响应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、具有内凹曲面结构的支撑立柱，在各个方向压缩时均能向内收缩，新型负泊松比结构，从而解决椎间盘膨出问题。

2、通过支撑立柱的截面和间隙大小来调控椎间盘不同区域的支撑强度，从而实现人体生物椎间盘不同区域变刚度的特点，复现人体椎间盘各向异性的生理活动范围。

3、髓核采用琼脂糖水凝胶材质，变形能力较强，在受压变形过程中与支撑立柱相互作用，压力越大，支撑越稳固，通过支撑中心的改变从而复现所在椎体关节瞬时转动中心的运动轨迹。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明的前视图；

图3为图2中的E-E剖视图；

图4为支撑立柱的结构示意图；

图5为前部小截面支撑立柱示意图；

图6为左侧中截面支撑立柱示意图；

图7为右侧中截面支撑立柱示意图；

图8为后部大截面支撑立柱示意图。

图中：1-上终板钉齿；2-上终板；3-上终板涂层；4-核心；5-下终板；6-下终板涂层；7-髓核；8-下终板钉齿；9-小支撑立柱；10-左侧中支撑立柱；11-大支撑立柱；12-外部平面结构；13-内部圆弧结构；14-内凹曲面；15-保护层；16-支撑立柱；17-右侧中支撑立柱；Ⅰ-外层支撑立柱；Ⅱ-中间层支撑立柱；Ⅲ-内层支撑立柱；①-小支撑立柱的截面；②-中支撑立柱的截面；③-大支撑立柱的截面；A-前部；LB-左侧部；RB-右侧部；P-后部；ⅰ-前部立柱间大间隙；ⅱ-右侧部立柱间中间隙；ⅲ-后部立柱间小间隙；ⅳ-左侧部立柱间中间隙。

具体实施方式

如图1所示，一种防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，包括上终板2、核心4及下终板5；核心4上端固定于上终板2下表面，核心4下端固定于下终板5上表面，上终板2上表面具有上终板钉齿1、下终板5下表面具有下终板钉齿8，上终板钉齿1和下终板钉齿8对椎间盘进行初始固定，上终板2、下终板5、上终板钉齿1和下终板钉齿8表面具有羟基磷灰石层涂层3，因羟基磷灰石涂层3对骨组织有亲和作用，能诱导未分化间充质细胞分化成骨细胞，进而使椎间盘达到二次固定的目的。

如图1、图2和图3所示，所述的核心4是由外面的保护层15、中间的支撑立柱16及内层的髓核7组成；

所述的保护层15采用聚碳酸酯基聚氨酯材质，在椎体进行前屈后伸、左右弯曲、轴向旋转、平移及其耦合运动时，保护层15产生相应的变形，并能够复原，具有较强的使用耐久性。

如图3、图5、图6、图7和图8所示，所述的支撑立柱16包括有小支撑立柱9、左侧中支撑立柱10、大支撑立柱11和右侧中支撑立柱17。

如图4所示，所述的支撑立柱16具有外部平面结构12、内部圆弧结构13、内凹曲面14，由于支撑立柱16具有内凹曲面14形成的内部空隙，所以在椎间盘旋转时，通过支撑立柱16的自我旋转变形来实现，更容易满足人体生物椎间盘的旋转特性，该支撑立柱16为具有负泊松比特点的结构，结构简单，适用于解决椎间盘膨出问题。

如图3所示，所述的髓核7为“D”型，能够增加髓核7的受力面积，使受力更加均匀，避免局部应力集中。

如图1、图2和图3所示，所述的上终板2、下终板5及核心4为“D”型，更符合人体生物椎间盘的外形特点，使整体受力更加均匀，支撑效果更佳。

如图3、图5、图6、图7和图8所示，所述的支撑立柱16从外到内可由两层及以上组成。本实施例中，支撑立柱16从外到内优选为三层，分别为外层支撑立柱Ⅰ、中间层支撑立柱Ⅱ、内层支撑立柱Ⅲ，保证髓核7具有与人体生物椎间盘类似的体积大小；当椎间盘进行旋转或平移等耦合运动时，位于中间的支撑立柱16可提供充足的间隙，使髓核7充斥其中，与支撑立柱16之间相互作用，形成一个类似于人体生物椎间盘静液压结构的整体，达到对脊柱更好的支撑效果。

如图3、图5、图6、图7和图8所示，所述的支撑立柱16形成有前部A、后部P、左侧部LB及右侧部RB四个区域，四个区域中①为小支撑立柱的截面，②为中支撑立柱的截面，③为大支撑立柱的截面；四个区域的支撑立柱16截面从小到大顺序为：前部小支撑立柱的截面①小于左侧部中支撑立柱的截面②，左侧部中支撑立柱的截面②小于后部大支撑立柱的截面③，左侧部中支撑立柱的截面②等于右侧部中支撑立柱的截面②。此种布局方式可使得椎体向前屈曲时最容易，左右侧弯时次之，向后伸展时活动范围更小，整体活动范围更贴合人体生物椎间盘的活动特点。

如图3、图5、图6、图7和图8所示，所述的支撑立柱16形成的前部A、后部P、左侧部LB及右侧部RB四个区域的立柱间隙，各区域支撑立柱16间隙从大到小顺序为：前部立柱间大间隙ⅰ大于左侧部立柱间中间隙ⅳ，左侧部立柱间中间隙ⅳ大于后部立柱间小间隙ⅲ，左侧部立柱间中间隙ⅳ等于右侧部立柱间中间隙ⅱ。此种布局方式同样使得椎体向前屈曲时最容易，左右侧弯时次之，向后伸展时活动范围更小，整体活动范围更容易满足人体生物椎间盘的活动特点。

所述的上终板2、下终板5、上终板钉齿1和下终板钉齿8的材质为聚醚醚酮聚合物材料；

所述的髓核7材质为琼脂糖水凝胶类似物；所述的支撑立柱16采用硅树脂材质，其刚度可以通过改变基材和固化剂的比例来调节，以10:1的比例产生适当的负载响应。

Claims (8)

1.防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，其特征在于：包括上终板(2)、核心(4)及下终板(5)；核心(4)上端固定于上终板(2)下表面，核心(4)下端固定于下终板(5)上表面，上终板(2)上表面具有上终板钉齿(1)、下终板(5)下表面具有下终板钉齿(8)；

所述的核心(4)是由外面的保护层(15)、中间的支撑立柱(16)及内层的髓核(7)组成；所述的支撑立柱(16)包括有小支撑立柱(9)、左侧中支撑立柱(10)、大支撑立柱(11)和右侧中支撑立柱(17)；

所述的支撑立柱(16)具有外部平面结构(12)、内部圆弧结构(13)、内凹曲面(14)。

2.根据权利要求1所述的防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，其特征在于：所述上终板(2)、下终板(5)、上终板钉齿(1)和下终板钉齿(8)表面具有羟基磷灰石层涂层3。

3.根据权利要求1所述的防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，其特征在于：所述的支撑立柱(16)从外到内由两层及以上组成。

4.根据权利要求3所述的防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，其特征在于：所述支撑立柱(16)从外到内优选为三层，分别为外层支撑立柱(Ⅰ)、中间层支撑立柱(Ⅱ)、内层支撑立柱(Ⅲ)。

5.根据权利要求1所述的防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，其特征在于：所述的支撑立柱(16)形成有前部(A)、后部(P)、左侧部(LB)及右侧部(RB)四个区域，四个区域中①为小支撑立柱的截面，②为中支撑立柱的截面，③为大支撑立柱的截面；四个区域的支撑立柱(16)截面从小到大顺序为：前部小支撑立柱的截面①小于左侧部中支撑立柱的截面②，左侧部中支撑立柱的截面②小于后部大支撑立柱的截面③，左侧部中支撑立柱的截面②等于右侧部中支撑立柱的截面②。

6.根据权利要求1所述的防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，其特征在于：所述的支撑立柱(16)形成有前部(A)、后部(P)、左侧部(LB)及右侧部(RB)四个区域的立柱间隙，各区域支撑立柱(16)间隙从大到小顺序为：前部立柱间大间隙(ⅰ)大于左侧部立柱间中间隙(ⅳ)，左侧部立柱间中间隙(ⅳ)大于后部立柱间小间隙(ⅲ)，左侧部立柱间中间隙(ⅳ)等于右侧部立柱间中间隙(ⅱ)。

7.根据权利要求1所述的防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，其特征在于：所述的髓核(7)为“D”型，所述的上终板(2)、下终板(5)及核心(4)为“D”型。

8.根据权利要求1所述的防膨出且复现关节运动瞬心轨迹的仿生椎间盘，其特征在于：

所述的上终板(2)、下终板(5)、上终板钉齿(1)和下终板钉齿(8)的材质为聚醚醚酮聚合物；

所述的髓核(7)材质为琼脂糖水凝胶类似物；

所述的支撑立柱(16)的材质为硅树脂；

所述的保护层(15)的材质为聚碳酸酯基聚氨酯。

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