CN111938883B - 一种仿生椎间盘 - Google Patents

Abstract

一种仿生椎间盘，其外膜套装在仿生纤维环外层上，仿生纤维环和外膜上下两端分别与上终板下表面和下终板上表面连接，上终板上表面和下终板下表面均设有连接耳部。仿生纤维环由聚乙烯纤维材料编织而成，呈正六面体晶格结构且为非均匀分布，增强局部抗拉或抗扭强度。上梯形环和下梯形环采用柔性材料，上终板和下终板以及上核板和下核板为刚体，通过将柔性梯形环嵌入刚体中，实现了刚柔结合，表现出刚性支撑，柔性吸能的特点，而且上核板和下核板之间的弹簧机构可以实现二级减震的作用。本发明仿生椎间盘能够实现椎体间的屈伸、侧偏、旋转和平移活动，同时该仿生椎间盘还具有支撑、缓冲、减震的作用。

Description

一种仿生椎间盘

技术领域

本发明属于机械仿生工程技术领域，特别涉及一种仿生椎间盘。

背景技术

人体脊椎椎间盘退行性疾病是骨科临床常见病症，当脊椎的椎间盘退变采用保守治疗方式无效时，就需要采取手术进行治疗。常规的手术治疗方式主要是依靠关节融合术，切除病变的椎间盘，并采用融合器进行固定，使相邻椎体融合成一个整体，达到治疗的目的。但此治疗方式易使得脊椎的手术节段的正常生理活动受到限制，而且会引起邻近节段的加速退变，即所谓的邻椎病。由此，人工椎间盘置换术应运而生，已成为临床上椎间盘退变的更为有效的治疗方法，而合适的椎间盘假体对于手术治疗效果尤为关键。

文献调研表明，自20世纪50年代至今，研究者对人工椎间盘的开发进行了大量研究，研制了多款人工椎间盘物理试验样件和产品，其中代表性的椎间盘类型包括SB Charité系列、ProDisc系列、Maverick系列、ActivL系列和Cardisc系列等。但经过深入对比分析发现，当前的人工椎间盘的上下金属终板之间或采用金属连接，或采用均质、硬质超高分子量聚乙烯材料进行连接，整体结构刚性较大，内部弹性不足，轴向压缩性和缓冲性能较差，由此多数存在植入后的椎体运动自由度匹配性差、椎间载荷作用强度缓冲效果不理想等难点问题，亟需解决。

综观上述目前人工椎间盘的研究现状，急需一种能够有效保证植入后椎骨运动自由度和缓冲效果的新型人工椎间盘。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种兼具类似生物椎间盘运动自由度及良好缓冲性能的仿生椎间盘，解决现有人工椎间盘椎体运动自由度匹配性差、椎间载荷作用强度缓冲效果不理想的问题。

一种仿生椎间盘，包括上终板、下终板、仿生纤维环、外膜和仿生髓核。其中，仿生髓核包括上梯形环、下梯形环、上核板、下核板，以及上核板和下核板之间的连杆、滑块、弹簧机构。所述下核板包括十字杆和中柱，且三者为一体成型结构。上终板的上表面和下终板的下表面均设有连接耳部，连接耳部上设有连接孔。上终板设在仿生髓核的上端，下终板设在仿生髓核的下端。仿生纤维环套装在仿生髓核外层上，外膜套装在仿生纤维环外层上，所述仿生纤维环上下两端分别与上终板的下表面和下终板的上表面通过自攻螺钉连接。上终板的下表面中心设有局部耐磨体，局部耐磨体和上核板中心上端的耐磨球体为点面接触。仿生纤维环由聚乙烯纤维材料编织而成，其左上部设有第一局部增强区、左下部设有第二局部增强区、右上部设有第三局部增强区、右下部设有第四局部增强区、后下方设有第五局部增强区，且环形曲面内局部增强区的晶格密集度大于其余晶格密集度。上梯形环的上端嵌入上终板下表面的第一大梯形槽中，下端嵌入上核板的第一小梯形槽中；下梯形环的下端嵌入下终板上表面的第二大梯形槽中，上端嵌入下核板的第二小梯形槽中。上核板与下核板之间有四个均匀分布的连杆，连杆上端设有上连接件与上核板连接件通过销连接，连杆下端设有下连接件与滑块连接件通过销连接，中立位时，连杆轴线与水平面呈45°角。滑块上设有通孔，通孔直径大于十字杆直径，滑块通过通孔套装在十字杆上，且可以在十字杆上沿轴向滑动。十字杆在下核板中呈正交分布，滑块为正方体结构，滑块底面与下核板的距离远小于滑块的边长。滑块与中柱之间通过弹簧连接，弹簧内径大于十字杆直径，且弹簧套装在十字杆上，弹簧一端与滑块固定连接，另一端与中柱固定连接。

所述上梯形环和下梯形环均采用柔性聚氨酯材料，在与上终板和下终板结合处形成刚柔耦合体，在与上核板和下核板结合处形成刚柔耦合体，在轴向压缩时起到缓冲减震的作用。

所述仿生纤维环由聚乙烯纤维材料编织而成，且环形曲面内局部增强区的晶格密集度大于其余晶格密集度，增大局部抗拉和抗扭强度。

所述局部耐磨体和耐磨球体均采用镍钛合金材料，增强耐磨性。以耐磨球体为支点，提高上终板侧弯和旋转的灵活性。

本发明的工作原理和过程为：

本发明是根据人体椎间盘的结构、材料和功能特征得到启示而提出。生物力学研究表明，椎间盘位于脊柱各椎体间，由软骨板、纤维环及髓核构成。髓核由含有大量的亲水安基葡萄糖的胶样凝胶组成，具有粘弹力学特性，因此能够有效缓冲脊柱冲击力并维持脊柱结构的稳定性，是一个“理想的震荡吸收器”。纤维环由胶原纤维组成，为环形密闭结构，具有抗张拉、抗扭转的性能，其功能为连接相邻的两个椎体，约束椎体间运动，还起到保持椎间盘髓核容积的作用。

髓核的粘弹材料特性和纤维环的结构特征共同作用，使得椎间盘整体具备了有效协调椎体空间运动，进行不同程度屈伸、侧弯、旋转运动以及高效缓冲维持脊柱系统稳定性的优异生物力学功能。

基于上述生物椎间盘的结构、材料特征，本发明将仿生椎间盘设计成上终板、下终板、仿生髓核、仿生纤维环和外膜几个组成部分。上终板设在仿生髓核的上端，下终板设在仿生髓核的下端。上梯形环的上端嵌入上终板下表面的第一大梯形槽中，下端嵌入上核板的第一小梯形槽中；下梯形环的下端嵌入下终板上表面的第二大梯形槽中，上端嵌入下核板的第二小梯形槽中。上终板和下终板采用刚性材料，上梯形环和下梯形环采用柔性聚氨酯材料，上核板和下核板以及两者之间的连接机构采用刚性材料，因此，整个仿生椎间盘自上而下呈刚-柔-刚-柔-刚交替分布，仿生髓核整体呈柔性功能特征，表现为可变形体。因此，上终板、下终板可以在一定范围内运动，使得仿生椎间盘具有类似生物椎间盘的运动自由度。上终板下表面中心的局部耐磨体与耐磨球体点面接触，增加了侧偏和旋转的灵活性。整个仿生髓核自上而下，形成多级刚柔耦合，具有较好的减震性能，而且上核板和下核板之间的连杆、滑块、弹簧机构起到了二级减震的效果。因此，整个仿生髓核，在承受压缩冲击力时表现为较好的缓冲减震性能。当上核板和下核板边缘重合时，此时椎间高度最小，有效保持了椎间高度。仿生纤维环套装在仿生髓核外层上，外膜套装在仿生纤维环外层上，仿生纤维环上下两端分别与上终板的下表面和下终板的上表面通过自攻螺钉连接。仿生纤维环由聚乙烯纤维材料编织而成，其左上部设有第一局部增强区、左下部设有第二局部增强区、右上部设有第三局部增强区、右下部设有第四局部增强区、后下方设有第五局部增强区，且环形曲面内局部增强区的晶格密集度大于其余晶格密集度。仿生纤维环不仅起到限制髓核的作用，而且其抗张拉、抗扭转性能增强，可以有效延长椎间盘假体使用寿命。

本发明具有以下有益效果：

1、上终板、下终板之间为可变形仿生髓核，上终板下表面中心以耐磨球体作为支点，可进行灵活的屈伸、侧弯、旋转和平移活动。

2、仿生髓核自上而下，为多级刚柔结合组成，柔性聚氨酯材料梯形环和刚性机构组合使用，既可以有效维持椎间高度，还有较好的缓冲、减震的作用。

3、仿生纤维环设有局部增强区，在侧弯和前屈等生理活动时，增大局部抗拉和抗扭强度，延长椎间盘假体使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为仿生纤维环的结构示意图。

图4为仿生髓核结构分解图。

图5为上核板和下核板连接机构示意图。

图中：1-上终板；2-下终板；3-仿生纤维环；301-第一局部增强区；302-第二局部增强区；303-第三局部增强区；304-第四局部增强区；305-第五局部增强区；4-外膜；5-上梯形环；6-下梯形环；7-上核板；8-下核板；9-第一大梯形槽；10-第二大梯形槽；11-第一小梯形槽；12-第二小梯形槽；13-连杆；14-上连接件；15-上核板连接件；16-下连接件；17-滑块连接件；18-滑块；19-通孔；20-十字杆；21-弹簧；22-中柱；23-连接耳部；24-连接孔；25-耐磨球体；26-局部耐磨体；27-自攻螺钉。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种仿生椎间盘，包括上终板1、下终板2、仿生纤维环3、外膜4和仿生髓核；仿生髓核包括上梯形环5、下梯形环6、上核板7和下核板8，上核板7与下核板8之间设置有连杆13、滑块18和弹簧21组成的二级减震机构；所述下核板8设置有十字杆20和中柱22，且三者为一体成型结构。上终板1和下终板2均为长方体板并具有倒圆角，上终板1和下终板2的材质优选钛合金材料，确保仿生椎间盘与骨性组织有较好的融合性。上终板1的上表面和下终板2的下表面均设有连接耳部23，每个连接耳部23上设有连接孔24，以便此椎间盘假体与上下椎体的连接。仿生纤维环3套装在仿生髓核外层上，外膜4套装在仿生纤维环3外层上，仿生纤维环3上、下两端分别与上终板1的下表面和下终板2的上表面通过自攻螺钉27连接。外膜4为高分子材料，能随着上终板1和下终板2的运动做出相应的压缩、拉伸和旋转运动，还能有效防止内部结构或磨屑与人体其他组织的接触。仿生纤维环3由聚乙烯纤维材料编织而成，呈正六面体晶格结构且为非均匀分布，兼具柔性和抗拉特性。仿生纤维环3左上部设有第一局部增强区301，仿生纤维环3左下部设有第二局部增强区302，仿生纤维环3右上部设有第三局部增强区303，仿生纤维环3右下部设有第四局部增强区304，仿生纤维环3后下方设有第五局部增强区305，局部增强区的正六边形晶格密集度大于其余部位的晶格密集度，增强了局部抗拉和抗扭强度。在侧弯、前屈和旋转等生理活动时，拉伸和扭转强度较高，局部应力较大，局部增强区可以有效延长使用寿命。

仿生髓核并非传统椎间盘假体髓核的一体式结构，而是由上梯形环5、下梯形环6、上核板7、下核板8及其之间的连接机构组成，上梯形环5和下梯形环6均为柔性可变形体，优选聚氨酯材料，兼具弹性和耐疲劳特性。上梯形环5的上端嵌入上终板1下表面的第一大梯形槽9中，下端嵌入上核板7的第一小梯形槽11中；下梯形环6的下端嵌入下终板2上表面的第二大梯形槽10中，上端嵌入下核板8的第二小梯形槽12中；因此，整个仿生髓核为刚柔耦合体，表现为柔性特征，自上而下，形成多级刚柔结合面，不仅可以使仿生椎间盘可以完成屈伸、侧弯、旋转和平移活动，而且对椎间轴向载荷有效缓冲。当上终板1和下终板2承受压应力，压力传递到上梯形环5和下梯形环6，上梯形环5和下梯形环6会发生弹性变形，继而把压力传递到上核板7和下核板8，上核板7和下核板8之间的距离逐渐变小。上核板7的下表面设有上核板连接件15与连杆13上端的上连接件14通过销连接，连杆13下端的下连接件16与滑块连接件17通过销连接，销连接能使连杆13围绕销轴转动，滑块18套装在十字杆20上，且能在十字杆20上沿轴向滑动，滑块18和中柱22之间有弹簧21连接，弹簧21套装在十字杆20上，弹簧21一端与滑块18固定连接，弹簧21另一端与中柱22固定连接，以限制滑块18沿十字杆20轴向运动范围。在椎间盘中立位时，连杆13与水平面呈45°角，当上核板7和下核板8承受轴向压力，距离逐渐变小时，在连杆13作用下，滑块18沿十字杆20轴向远离下核板8中心滑动，此时弹簧21为拉力作用；当上核板7和下核板8承受轴向拉力，距离逐渐变大时，在连杆13作用下，滑块18沿十字杆20轴向向下核板8中心滑动，此时弹簧21为压力作用。因此，在上终板1和下终板2被压缩时，不仅柔性梯形环有减震性能，而且上核板7和下核板8之间的连接机构也具有吸收冲击力和缓冲的作用。上核板7和下核板8为刚性体，可以有效维持椎间高度，当边缘重合时，此时椎间高度最小。

因此整个仿生椎间盘植入人体后可以有效协调椎体空间运动，保留手术节段的活动度且具有灵活性。同时，仿生椎间盘还能通过刚柔耦合的仿生髓核吸收冲击载荷，有效缓冲。

Claims (3)

1.一种仿生椎间盘，其特征在于：包括上终板（1）、下终板（2）、仿生纤维环（3）、外膜（4）和仿生髓核；仿生髓核包括上梯形环（5）、下梯形环（6）、上核板（7）、下核板（8）、连杆（13）、滑块（18）和弹簧（21），下核板（8）设置有十字杆（20）和中柱（22）；上终板（1）的上表面和下终板（2）的下表面均设有连接耳部（23），连接耳部（23）上设有连接孔（24）；仿生纤维环（3）套装在仿生髓核外层上，外膜（4）套装在仿生纤维环（3）外层上；仿生纤维环（3）上、下两端分别与上终板（1）的下表面和下终板（2）的上表面通过自攻螺钉（27）连接，外膜（4）上、下两端分别与上终板（1）的下表面和下终板（2）的上表面连接；上梯形环（5）的上端嵌入上终板（1）下表面的第一大梯形槽（9）中，上梯形环（5）下端嵌入上核板（7）的第一小梯形槽（11）中；下梯形环（6）的下端嵌入下终板（2）上表面的第二大梯形槽（10）中，下梯形环（6）上端嵌入下核板（8）的第二小梯形槽（12）中；上梯形环（5）、下梯形环（6）、上核板（7）和下核板（8）的中心同轴；上核板（7）与下核板（8）之间通过四个均匀分布的连杆（13）连接，连杆（13）上端设有上连接件（14）与上核板连接件（15）通过销连接，连杆（13）下端设有下连接件（16）与滑块连接件（17）通过销连接；滑块（18）通过通孔（19）套装在十字杆（20）上，且能在十字杆（20）上沿轴向滑动；中柱（22）位于下核板（8）的中心，十字杆（20）穿过中柱（22），且在下核板（8）内正交分布，下核板（8）、中柱（22）和十字杆（20）为一体成型结构；滑块（18）与中柱（22）之间通过弹簧（21）连接，且弹簧（21）套装在十字杆（20）上，弹簧（21）一端与滑块（18）固定连接，弹簧（21）另一端与中柱（22）固定连接；上核板（7）中心上端有耐磨球体（25），上终板（1）的下表面中心设有局部耐磨体（26），耐磨球体（25）顶部与局部耐磨体（26）之间为点面接触；

所述上终板（1）和下终板（2）为长方体板，且有倒圆角，上终板（1）和下终板（2）的材质为钛合金；

所述仿生纤维环（3）由聚乙烯纤维材料编织而成，呈正六面体晶格结构且为非均匀分布，仿生纤维环（3）左上部设有第一局部增强区（301），仿生纤维环（3）左下部设有第二局部增强区（302），仿生纤维环（3）右上部设有第三局部增强区（303），仿生纤维环（3）右下部设有第四局部增强区（304），仿生纤维环（3）后下方设有第五局部增强区（305），且环形曲面内局部增强区的晶格密集度大于其余晶格密集度。

2.根据权利要求1所述的一种仿生椎间盘，其特征在于：所述上梯形环（5）、下梯形环（6）均采用聚氨酯材料。

3.根据权利要求1所述的一种仿生椎间盘，其特征在于：所述耐磨球体（25）和局部耐磨体（26）均采用镍钛合金。