CN115836932B - 一种个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法及假体 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法及假体，涉及医疗器械技术领域，解决现有椎间盘假体无法矫正异常ICR、重建生理运动模式的问题，同时解决批量生产的椎间盘假体无法满足个体化需求的问题。建立椎间盘退变后的颈椎三维仿真模型；修改该模型中退变椎间盘的形态结构及材料属性，得到椎间盘假体的三维仿真模型；将此三维仿真模型植入颈椎退变模型中，对颈椎模型施加载荷模拟生理运动，并计算植入节段与邻近节段运动学及生物力学指标；根据计算结果对椎间盘假体模型进行调整，直至假体植入后可矫正异常ICR并获得最佳生物力学效应；根据假体的三维仿真模型制作椎间盘假体，得到高度匹配患者颈椎解剖参数的个性化仿生人工颈椎间盘假体。

Description

一种个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法及假体

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法及假体。

背景技术

颈前路减压融合内固定术（Anterior cervical discectomy and fusion，ACDF）一直被认为是治疗颈椎退行性疾病“金标准”，但ACDF术后手术节段活动度（Range ofmotion，ROM）丢失，邻近节段ROM增加、力学分布异常，增加邻近节段退变（Adjacentsegment disease，ASD）风险。人工颈椎间盘置换术（Cervical disc arthroplasty，CDA）作为一种替代性手术操作，可维持手术节段ROM、避免邻近节段过度载荷分布，尽可能模拟颈椎生理运动模式，降低ASD发生率，获得较好的临床疗效。自美国食品药品管理局（Food andDrug Administration，FDA）2007年首次批准Presige-ST人工颈椎间盘假体至今，已有9种人工颈椎间盘假体被FDA批准上市，依据批准顺序先后分别为Presige-ST（2007年）、ProDisc-C（2007年）、Bryan（2009年）、Secure-C（2012年）、PCM（2012年）、Mobi-C（2013年）、PrestigeLP（2014年）、M6-C（2019年），此外仍有数十种尚未被FDA批准的人工颈椎间盘假体正在进行不同阶段的临床试验。

人工颈椎间盘假体类型多样，依据假体提供运动方式，即假体内部关节类型分为球窝关节（如ProDisc-C）、球槽关节（如PrestigeLP）、滑动髓核（如Mobi-C）、封闭髓核（如Bryan）。这些运动保留方式在颈椎间盘假体的旋转中心（Center of rotation，COR）设计上具有显著区别。具有滑动髓核的假体COR在屈伸运动和侧弯运动时是不断改变的，以模仿正常椎间盘的COR。具有球窝关节的假体有固定的COR，迫使其以预定的方式进行运动。具有球槽关节的假体COR与滑动髓核类似，存在一定的平移运动，但仍以旋转运动为主。具有封闭髓核的假体在生物力学性能上最接近正常椎间盘，具有重建正常ICR轨迹和耦合运动的可能。早期的椎间盘产品仅以机械力学的方法对椎间盘在6个自由度上模拟运动方式，而具有封闭髓核的假体标志着椎间盘假体高度仿生时代的来临，是未来的主要发展方向。

依据人工颈椎间盘假体对6个运动自由度的限制，分为限制型假体（如ProDisc-C）、半限制型假体（如Mobi-C）、非限制型假体（如Bryan）。限制型假体只提供椎间旋转运动，而限制轴向压缩及平移运动，迫使颈椎在假体植入后沿假体COR位置运动，缺乏恢复椎间生理运动模式的能力，增加ASD发症风险。非限制型假体完全具有6个自由度的运动，即三个轴面上的旋转运动及平移运动，最大限度地模仿生理运动，但也存在过度运动、增加邻近节段应力载荷等缺陷。半限制型假体介于限制型与非限制型之间，但并不能完全模拟生理运动模式。

人工颈椎间盘假体材料设计对颈椎运动学、生物力学及安全性和有效性均具有重要作用。人工颈椎间盘假体的材料应具有良好的生物相容性、化学惰性、无毒性、无致癌性；由于CDA手术适应症为轻中度颈椎退变患者，患者年轻化趋势明显，材料尚须耐磨、耐腐蚀，具有良好的抗疲劳强度；材料终板的弹性模量应尽量与骨组织相近，避免发生“应力遮挡”效应，而假体内部材料应尽量与生理椎间盘材料属性相近，模拟生理运动模式。

人工颈椎间盘假体历经半个多世纪的发展，其有效性及安全性已被广泛证实，但CDA术后仍然存在一些并发症，如术后颈痛、力线异常、假体下沉、异位骨化等。现有假体无法有效矫正异常ICR、恢复生理运动模式，进而导致生物力学异常是假体产生上述并发症的重要原因之一。另外，目前国内使用的颈椎人工间盘假体，其设计数据及假体规格均参照欧美人群解剖特征，与国人颈椎解剖参数不完全匹配；且批量生产的固定规格颈椎间盘假体不适用于所有颈椎病患者，假体终板未完全覆盖椎体终板并与其紧密连接，不利于均匀传递力学载荷，需对椎体骨性终板进行打磨处理，增加假体沉降风险。

发明内容

本发明的目的是提供一种个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法及假体，以解决现有技术存在的问题，得到高度匹配患者颈椎解剖参数的椎间盘假体，同时得到的椎间盘假体还具备矫正异常ICR的能力，可重建生理运动模式，模拟正常颈椎生理运动，获得更均衡的生物力学效应。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法，包括以下步骤：

S1：建立椎间盘退变后的颈椎三维仿真模型；

S2：修改颈椎退变三维仿真模型中退变椎间盘的形态结构及材料属性，得到人工颈椎间盘假体的三维仿真模型；

S3：将椎间盘假体的三维仿真模型植入颈椎退变的三维仿真模型中，对颈椎三维仿真模型施加载荷模拟颈椎生理运动，并计算植入节段与邻近节段运动学与生物力学指标，获得的运动学参数包括瞬时旋转中心；

S4：根据计算结果对椎间盘假体的三维仿真模型进行调整，直至指标达标；

S5：根据椎间盘假体的三维仿真模型制作椎间盘假体。

优选的，步骤S2中，根据椎间盘的退变程度增加椎间盘假体的高度和终板曲度，同时修改椎间盘的材料属性，得到椎间盘假体的三维仿真模型。

优选的，步骤S3中，将椎间盘假体的三维仿真模型植入颈椎退变三维仿真模型前，先切除椎体前缘骨赘，将椎间盘假体的三维仿真模型植入颈椎退变三维仿真模型后，采用有限元分析软件对颈椎三维仿真模型的运动进行分析，分析过程中将底部椎体下终板固定，对顶部的椎体上终板施加载荷，并以正常颈椎的节段活动度作为边界条件，获得植入节段与邻近节段运动学与生物力学指标。

优选的，步骤S3中，在屈伸运动中，整个颈椎的运动被看作是一个中心固定的圆弧，在这个圆弧内存在一个速度为零的中心点，这个中心点为旋转中心，在屈伸运动中，将颈椎整个运动过程中各时间点的运动视为一个圆弧，每个圆弧有一个固定的中心，速度为零，由这些中心连接的轨迹是瞬时旋转中心，瞬时旋转中心是一系列旋转中心形成的轨迹。

优选的，步骤S1中，将颈椎病患者退变的颈椎CT数据导入医学图像控制软件中进行图像分割并导出实体结构，将实体结构导入正向工程软件中进行光滑和匀称处理，再使用逆向工程软件完成颈椎几何模型的重建，在有限元前处理软件 中进行网格划分形成颈椎退变三维仿真模型。

优选的，步骤S2中，椎间盘假体中的纤维环假体的杨氏模量为2MPa~4MPa，髓核假体的杨氏模量为1MPa，上终板和下终板的杨氏模量为114000Mpa、泊松比为0.35v；步骤S3中，获得的生物力学参数包括位移-力矩曲线、关节突应力、骨-植入物截面应力、椎间盘压力和假体核心应力。

本发明还提供一种个性化仿生人工颈椎间盘假体，包括上终板、下终板和连接在所述上终板与所述下终板之间的中间弹性复合体；所述上终板与所述下终板上均设置有若干用于刺入椎体终板内的倒齿，所述中间弹性复合体包括髓核假体和呈环形形状的纤维环假体，所述髓核假体位于所述纤维环假体的中部，且与所述环形形状的内圈壁面贴合。

优选的，所述上终板与所述下终板均采用钛合金，所述上终板与所述下终板表面均涂有钛金属羟基磷灰石涂层。

优选的，所述纤维环假体采用聚氨酯材料制成，所述髓核假体采用水凝胶材料制成。

优选的，所述倒齿呈四棱锥形状。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、根据本发明中的个性化仿生人工椎间盘假体的制作方法能够根据不同的患者的椎间盘不同退变情况进行个性化设计，得到高度匹配患者颈椎解剖参数的椎间盘假体；

2、本发明在有限元仿真过程中，获得三维仿真模型的ICR数据，并与现有假体、正常椎间盘的数值进行对比，不断修改假体高度和假体终板曲度，使LBGdisc-C假体终板曲度完全符合患者解剖学数据，不破坏椎体骨性终板，与椎体骨性终板完全贴合，更有利于力学载荷均匀传导，降低骨-植入物界面应力，减少假体下沉风险，最终得到的椎间盘假体还具备矫正异常ICR的能力，可恢复生理运动模式，模拟正常颈椎生理运动，获得更均衡的生物力学效应；

3、本发明中的LBGdisc-C假体中弹性复合体材料属性及运动产生方式（通过弹性复合体形变），与生理椎间盘相似，维持植入节段ROM同时不增加邻近节段负荷，降低ASD发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法的流程图；

图2为本发明中椎间盘假体的正视结构示意图；

图3为椎间盘假体轴侧图；

图4为椎间盘假体的拆解图；

其中，1、上终板；2、下终板；3、髓核假体；4、纤维环假体；5、倒齿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法及假体，以解决现有技术存在的问题，得到高度匹配患者颈椎解剖参数的椎间盘假体，同时得到的椎间盘假体还具备矫正异常ICR的能力，可恢复生理运动模式，模拟正常颈椎生理运动，获得更均衡的生物力学效应。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

由于现有技术中批量生产的固定规格颈椎间盘假体不适用于所有颈椎病患者，本实施例提供一种个性化仿生人工颈椎间盘假体（LBGdisc-C假体）制作方法采用逆向反求思路，基于关键运动学参数瞬时旋转中心变化规律，设计符合国人解剖学特征的个性化仿生人工颈椎间盘假体（命名为LBGdisc-C）并介绍其个性化生产过程，该间盘假体在维持植入节段ROM、降低邻近节段力学负荷的同时，实现矫正异常ICR、重建生理运动模式、均匀传递力学载荷目的，以期降低颈椎间盘置换术后并发症、改善术后临床疗效。制作方法主要包括以下步骤：

1）基于本实施例个性化设计的理念，先建立椎间盘发生退变后的颈椎三维仿真模型，为后续设计、调整假体形状奠定基础。具体的，将颈椎病患者CT数据导入医学图像控制软件(Mimics 10.0；Materialise Technologies，Leuven，Belgium)中进行图像分割并导出实体结构，将实体结构导入正向工程软件3-Matic中进行光滑和匀称处理，再使用逆向工程软件(Geomagic studio 10.0；Geomagic Inc.，North Carolina，USA)完成颈椎几何模型的重建，在有限元前处理软件 (Hypermesh 11.0；Altair Engineering Corp，Michigan，USA)中进行网格划分形成颈椎三维仿真模型；

2）根据步骤S1得到颈椎三维仿真模型中椎体模型和退变后的椎间盘模型，来矫正颈椎三维仿真模型中退变的椎间盘，得到椎间盘假体的三维仿真模型，以替换掉退变的椎间盘。具体的，根据既往研究，颈椎间盘退变后在形态学上会产生椎间隙高度降低、椎体前缘骨赘形成、终板曲度改变及终板硬化，同时椎间盘细胞老化，髓核脱水，椎间盘材料属性改变，椎间盘退变后形态学及材料属性的改变是ICR异常的重要原因。因此，为模拟正常椎间盘，矫正异常ICR，恢复生理运动模式，需要将椎体前缘骨赘切除、恢复椎间盘高度至正常范围、增加终板曲度、恢复至正常材料属性。上述操作中，切除椎体前缘骨赘及恢复正常材料属性无需根据患者解剖结构调整，因为椎体前缘骨赘需完全切除，而正常材料属性为固定值（表1）均无需改变。椎间盘高度和终板曲度需根据患者退变程度及解剖结构进行修改。椎间盘轻度退变时，椎间隙高度降低<25%，中度退变时，椎间隙高度降低25-50%，重度退变时不适合行人工间盘假体置换手术，不在设计范围内；退变的椎间盘假体中，终板曲度随着退变程度增加降低，终板趋向于平坦。因此，根据每个患者退变程度，适当增加LBGdisc-C假体高度、增加终板曲度。在假体设计整个过程中，LBGdisc-C假体的宽度及深度保持不变，始终为该患者椎间隙的宽度及深度，这样可以保证LBGdisc-C假体终板与椎体终板完全贴合，假体终板表面积最大，有利于载荷均匀传递。而现有假体终板一般小于椎体终板，且假体终板曲度与终板曲度不完全一致，导致无法与椎体终板完全贴合，载荷传递集中在较小的假体终板，增加骨-植入物界面应力，增加假体沉降风险，同时加速假体终板磨损。本实施例中LBGdisc-C假体因最大程度保留终板面积、完全贴合椎体终板，可有效避免上述问题。

表1. 正常模型的材料属性和网格类型

3）步骤S2中得到的是初步矫正后的椎间盘假体，但是其运动学及生物力学性能还不足以达到退变前生理椎间盘的水平，因此，需要经过验证、修改其参数得到真正适用于患者具有良好运动学和生物力学性能的椎间盘假体。具体的，将椎间盘假体的三维仿真模型植入颈椎退变三维仿真模型中，对颈椎三维仿真模型施加载荷模拟颈椎生理运动，并计算植入节段与邻近节段运动学与生物力学指标，获得的运动学参数包括瞬时旋转中心；并将获得的参数与正常模型及现有的假体模型相比较，如LBGdisc-C假体植入后获得的参数与现有假体模型相比无显著优势，或不能矫正异常ICR，则继续修改假体的高度、终板曲度，直至获得最佳参数为止，此时LBGdisc-C假体的尺寸最适合该患者。

施加载荷及边界条件：所有模型最下方椎体下终板2固定，在正常模型最上方椎体上终板1施加1Nm纯力矩及73.6N随动载荷，模拟颈椎前屈后伸、左右侧屈、左右旋转6个方向的运动。根据位移控制加载准则，将正常模型获取的ROM作为退变模型及所有人工间盘假体置换模型的边界条件，即施加载荷使得退变模型及所有人工间盘假体置换模型运动到与正常模型相同的位置。

运动学参数：活动度（Range of motion，ROM）、（Instantaneous center ofrotation， ICR）

生物力学参数：Displacement-moment curves（位移-力矩曲线），Facet jointstress（关节突应力），Bone-implant interface stress（骨-植入物界面应力）,Intradiscal pressure（椎间盘压力）， Stress on prosthesis core（假体核心应力）

旋转中心（Center of rotation，COR）的含义是：在屈伸运动中，整个颈椎的运动被看作是一个中心固定的圆弧，在这个圆弧内存在一个速度为零的中心点。这个固定的中心点是COR。瞬时旋转中心（Instantaneous center of rotation，ICR）的含义是：在屈伸运动中，将颈椎整个运动过程中各时间点的运动视为一个圆弧，每个圆弧有一个固定的中心，速度为零。由这些中心连接的轨迹是ICR。COR与ICR都是描述椎间运动质量（即运动模式）的参数，ICR是一系列COR组成的轨迹，可动态描述运动过程。上述概念在“The DifferencesAmong Kinematic Parameters for Evaluating the Quality of IntervertebralMotion of the Cervical Spine in Clinical and Experimental Studies Concepts,Research and Measurement Techniques。”这一文章中已经进行了详细说明，是被本领域技术人员所知晓的概念。

4）根据椎间盘假体的三维仿真模型采用3D打印的方式制作椎间盘假体。

3D打印技术是本领域技术人员所熟知的，对于其具体3D打印过程，本实施例不进行赘述。

根据本实施例中的个性化仿生人工椎间盘假体的制作方法能够根据不同的患者的椎间盘不同退变情况进行个性化设计，得到匹配患者颈椎解剖参数的椎间盘假体；并且在有限元仿真过程中，获得三维仿真模型的ICR数据，并与现有假体、正常椎间盘的数值进行对比，不断修改假体高度和终板曲度，使LBGdisc-C假体终板曲度完全符合患者解剖学数据，不破坏椎体骨性终板，与椎体骨性终板完全贴合，更有利于力学载荷均匀传导，降低骨-植入物界面应力，减少假体下沉风险，最终得到的椎间盘假体还具备矫正异常ICR的能力，可恢复生理运动模式，模拟正常颈椎生理运动，获得更均衡的生物力学效应。

实施例2：

如图2~图4所示，本实施例提供一种个性化仿生人工颈椎间盘假体，包括上终板1、下终板2和连接在上终板1与下终板2之间的中间弹性复合体；上终板1与下终板2上均设置6个用于刺入椎体终板内的倒齿5，倒齿5可呈四棱锥形状。中间弹性复合体包括髓核假体3和呈环形形状的纤维环假体4，髓核假体3位于纤维环假体4的中部，且与环形形状的内圈壁面贴合。

上终板1与下终板2均采用钛合金，优选改良钛合金材料。钛合金的弹性模量小于钴铬钼合金，而且具有磁共振相容性，是理想的骨科植入材料，但存在不耐磨、易氧化和硬度低的缺陷，改良后的钛合金材料，如Ti-6Al-4V，除具有更接近皮质骨的弹性模量外，还具有较好的机械学性能和生物相容性能。

为促进骨长入进而实现假体与椎体界面骨性融合，常用生物活性和骨诱导材料在假体终板表面制成涂层，LBGdisc-C假体终板拟采用钛金属羟基磷灰石涂层，该材料具有优良的生物相容性和骨诱导性，是较理想的表面涂层材料，因此，本实施例中上终板1与下终板2表面均涂有钛金属羟基磷灰石涂层。

纤维环假体4采用聚氨酯材料制成，髓核假体3采用水凝胶材料制成。LBGdisc-C假体中间弹性复合体为高分子聚合物，由外层类纤维环样聚合物（聚氨酯材料，杨氏模量2-4MPa）及内部髓核样聚合物（水凝胶，杨氏模量1MPa）共同组成，材料属性（杨氏模量、泊松比）、尺寸大小同正常椎间盘组织。

本实施例中的LBGdisc-C假体中弹性复合体材料属性及运动产生方式（通过弹性复合体形变），与生理椎间盘相似，维持植入节段ROM同时不增加邻近节段负荷，降低ASD发生。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立椎间盘颈椎退变三维仿真模型；

S2：修改颈椎退变三维仿真模型中退变椎间盘的形态结构及材料属性，得到人工颈椎间盘假体的三维仿真模型；

S3：将椎间盘假体的三维仿真模型植入颈椎退变三维仿真模型中，对颈椎三维仿真模型施加载荷模拟颈椎生理运动，并计算植入节段与邻近节段运动学与生物力学指标，获得的运动学参数包括瞬时旋转中心；

S4：根据计算结果对椎间盘假体的三维仿真模型进行调整，直至指标达标；

S5：根据椎间盘假体的三维仿真模型制作椎间盘假体；

步骤S2中，根据椎间盘的退变程度增加椎间盘假体的高度和终板曲度，同时修改退变椎间盘的材料属性，得到椎间盘假体的三维仿真模型；

步骤S3中，将椎间盘假体的三维仿真模型植入颈椎退变三维仿真模型前，先切除椎体前缘骨赘，将椎间盘假体的三维仿真模型植入颈椎退变三维仿真模型后，采用有限元分析软件对颈椎三维仿真模型的运动进行分析，分析过程中将底部椎体下终板固定，对顶部的椎体上终板施加载荷，并以正常颈椎的节段活动度作为边界条件，获得植入节段与邻近节段运动学与生物力学指标。

2.根据权利要求1所述的个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法，其特征在于，步骤S3中，在屈伸运动中，整个颈椎的运动被看作是一个中心固定的圆弧，在这个圆弧内存在一个速度为零的中心点，这个中心点为旋转中心，在屈伸运动中，将颈椎整个运动过程中各时间点的运动视为一个圆弧，每个圆弧有一个固定的中心，速度为零，由这些中心连接的轨迹是瞬时旋转中心，瞬时旋转中心是一系列旋转中心形成的轨迹。

3.根据权利要求2所述的个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法，其特征在于，步骤S1中，将颈椎病患者退变的颈椎CT数据导入医学图像控制软件中进行图像分割并导出实体结构，将实体结构导入正向工程软件中进行光滑和匀称处理，再使用逆向工程软件完成颈椎几何模型的重建，在有限元前处理软件 中进行网格划分形成颈椎退变三维仿真模型。

4.根据权利要求3所述的个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法，其特征在于，步骤S2中，椎间盘假体中的纤维环假体的杨氏模量为2MPa~4MPa，髓核假体的杨氏模量为1MPa，上终板和下终板的杨氏模量为114000Mpa、泊松比为0.35v；步骤S3中，获得的生物力学参数包括位移-力矩曲线、关节突应力、骨-植入物截面应力、椎间盘压力和假体核心应力。

5.一种根据权利要求2~4任意一项所述的个性化仿生人工颈椎间盘假体制作方法制得的个性化仿生人工颈椎间盘假体，其特征在于，包括上终板、下终板和连接在所述上终板与所述下终板之间的中间弹性复合体；所述上终板与所述下终板上均设置有若干用于刺入椎体终板内的倒齿，所述中间弹性复合体包括髓核假体和呈环形形状的纤维环假体，所述髓核假体位于所述纤维环假体的中部，且与所述环形形状的内圈壁面贴合。

6.根据权利要求5所述的个性化仿生人工颈椎间盘假体，其特征在于，所述上终板与所述下终板均采用钛合金，所述上终板与所述下终板表面均涂有钛金属羟基磷灰石涂层。

7.根据权利要求6所述的个性化仿生人工颈椎间盘假体，其特征在于，所述纤维环假体采用聚氨酯材料制成，所述髓核假体采用水凝胶材料制成。

8.根据权利要求7所述的个性化仿生人工颈椎间盘假体，其特征在于，所述倒齿呈四棱锥形状。

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