当前，腰痛已成为全球性的重大健康问题，增加了国家医疗支出，给患者和家庭带来沉重的经济负担。腰痛涉及多种因素，其原因尚未完全解释，但临床普遍认为，椎间盘退变是关键影响因素之一，植入人工椎间盘是治疗椎间盘退变的有效临床治疗手段。人工全椎间盘置换技术自提出以来经历了快速发展并已在世界范围内用于治疗退行性椎间盘疾病的临床实践。然而，现有人工全椎间盘通常由机械式关节和单一材料组成，各向刚度一致，导致其植入后与患者脊柱三维生理运动不匹配，易产生系列并发症。迄今，开发具有类似天然生物椎间盘（IVD）的多向刚度人工椎间盘仍然是该领域的重要挑战之一。
针对这一难题，吉林大学任露泉院士团队，钱志辉教授、任雷教授课题组近日取得了重要进展，研究团队提出了基于仿生原理和多材料技术，利用多材料增材制造技术制备具有多向刚度的仿生椎间盘设计制造策略，为匹配人体脊柱三维生理运动的新一代人工椎间盘的设计制造提供了新思路。相关研究以“Bioinspired Intervertebral Disc with Multidirectional Stiffness Prepared via Multimaterial Additive Manufacturing”为题发表于Advanced Functional Materials (IF =19.0)，吉林大学工程仿生教育部重点实验室博士生宋广生为第一作者，吉林大学工程仿生教育部重点实验室钱志辉教授和任雷教授为论文通讯作者。英国The University of Manchester，瑞士Schulthess Clinic，德国University of Ulm为该研究的合作单位。该研究获得国家自然科学基金面上（No. 52175270）及创新群体项目（No. 52021003）等资助。
针对现有人工椎间盘多采用机械关节或单一材料导致当前人工椎间盘植入后三维生理运动不匹配的问题，研究团队基于生物椎间盘结构-材料-功能的启发提出了变刚度仿生椎间盘的设计策略。
图1 基于生物椎间盘启发的变刚度仿生椎间盘设计策略
在此基础上，研究团队进行了仿生椎间盘材料的体外生物相容性和压缩性能的测试，并利用多材料3D打印机制备了具有类生物椎间盘结构和材料特征的仿生椎间盘，成功地复现了生物椎间盘的纤维异质结构和环层梯度特征。
图2 材料性能测试及多材料制备方法
研究团队基于上述仿生原理和多材料增材制造技术制备了仿生椎间盘，并采用KUKA机械臂搭建了体外测试平台，对仿生椎间盘的力学性能和多向刚度性能进行了系统测试分析。
图3 多向刚度测试平台
为了进一步解析材料、结构参数对仿生椎间盘多向刚度影响的机理，研究团队设计了具有不同纤维取向角，不同环层硬度和不同椎间高度的仿生椎间盘样件。研究结果表明，通过纤维取向角，环层硬度和椎间高度变化能够有效调控仿生椎间盘的多向刚度，这一关键发现加深了我们对生物椎间盘各向异性功能原理的认识，同时为未来个性化仿生椎间盘的设计制造提供了重要理论和技术支持。
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