腰椎退行性椎間盤(pán)疾病已成為全球主要的健康問(wèn)題，導(dǎo)致巨大的醫(yī)療支出并給患者及其家庭帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。常見(jiàn)且有效的手術(shù)策略涉及腰椎椎間融合（LIF）融合器或全椎間盤(pán)置換（LTDR）裝置。因此，這些植入物的功能特性是其臨床效果的關(guān)鍵決定因素。為了評(píng)估脊柱植入物的生物力學(xué)性能，已有幾種代表性的測(cè)試方法，包括生物標(biāo)本、有限元分析（FEA）和脊柱模擬器。生物標(biāo)本，如人類(lèi)尸體和動(dòng)物模型，能夠在生理載荷條件下逼真地模擬脊柱運(yùn)動(dòng)和機(jī)械行為。然而，這些方法存在局限性，包括嚴(yán)格的倫理限制、高昂的實(shí)驗(yàn)成本、標(biāo)本獲取的挑戰(zhàn)以及缺乏真正的生理環(huán)境。有限元分析已成為另一種廣泛應(yīng)用的構(gòu)建脊柱模型的方法，因?yàn)樗�能夠�?fù)現(xiàn)復(fù)雜的解剖幾何形狀以及異質(zhì)、各向異性的材料特性。盡管如此，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性高度依賴于輸入?yún)��?shù)和建模假設(shè)的可靠性。為了克服這些局限性，人們根據(jù)ASTM/ISO標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)了脊柱模擬器（例如脊柱測(cè)試機(jī)和合成脊柱模型）。然而，它們的加載模式通常過(guò)于簡(jiǎn)化，無(wú)法準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)生理性的脊柱運(yùn)動(dòng)。更關(guān)鍵的是，它們通常忽略了韌帶的結(jié)構(gòu)和功能作用，導(dǎo)致過(guò)大的運(yùn)動(dòng)范圍（ROM），降低了生物力學(xué)評(píng)估的保真度。

人體腰椎是一個(gè)高度復(fù)雜的生物力學(xué)系統(tǒng)，其中天然椎間盤(pán)（IVD）、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)和周?chē)�的韌帶協(xié)同工作，在維持穩(wěn)定性的同時(shí)允許適當(dāng)?shù)纳�理活�?dòng)。在這些結(jié)構(gòu)中，天然韌帶在連接骨骼、限制過(guò)度運(yùn)動(dòng)、分配載荷和預(yù)防損傷方面起著至關(guān)重要的作用。天然韌帶由膠原纖維的亞束狀束層分級(jí)組成。模仿這些結(jié)構(gòu)特征，使用工程材料來(lái)開(kāi)發(fā)具有可調(diào)剛度的生物啟發(fā)韌帶替代物，以再現(xiàn)腰椎的運(yùn)動(dòng)學(xué)，提供了一個(gè)有前景的策略。特別是，基于織物的結(jié)構(gòu)已展現(xiàn)出卓越的柔韌性、耐用性、應(yīng)變可編程性、抗疲勞性和各向異性響應(yīng)，與脊柱韌帶的功能需求高度吻合。本文提出了用于腰椎的生物啟發(fā)織物韌帶（BFL），其具有可調(diào)的剛度特性，能密切模仿天然韌帶。當(dāng)集成到生物啟發(fā)的腰椎系統(tǒng)（BLSS）中時(shí)，所開(kāi)發(fā)的BFL有望提供生理相關(guān)的運(yùn)動(dòng)約束和ROM，從而提高生物力學(xué)測(cè)試的保真度，并為肌肉骨骼組織工程提供新的見(jiàn)解。

功能性脊柱單位（FSU）是人腰椎的基本結(jié)構(gòu)組成部分，通常包括上下椎體、天然IVD和周?chē)�的韌帶。天然韌帶是重要的結(jié)締組織復(fù)合體，具有非線性力學(xué)特性和可調(diào)的力學(xué)性能。這些力學(xué)特性源于天然韌帶的分級(jí)結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)不同的脊柱節(jié)段和加載模式。在微觀尺度上，膠原纖維的直徑、方向、排列和交聯(lián)密度控制著剛度的演變。在宏觀尺度上，纖維束結(jié)構(gòu)、韌帶形態(tài)的變化，使得不同的韌帶，甚至同一韌帶在不同脊柱節(jié)段，都能表現(xiàn)出可調(diào)的剛度和非線性特性。因此，非線性的力學(xué)特性和可調(diào)的剛度是通過(guò)分級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。為了連接相鄰椎體，韌帶與周?chē)�的脊柱肌肉一起，�?shí)現(xiàn)了可控的生理運(yùn)動(dòng)并維持固定的姿勢(shì)位置。它們?cè)谙拗七^(guò)度的椎間關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、增強(qiáng)關(guān)節(jié)穩(wěn)定性和保護(hù)脊髓方面也起著關(guān)鍵作用。FSU主要由七種不同的韌帶組成，每種韌帶都有獨(dú)特的形態(tài)、尺寸、附著部位和功能特征。

織物結(jié)構(gòu)可以通過(guò)可控的纖維股線和層數(shù)，有效模擬天然韌帶的分級(jí)結(jié)構(gòu)和非線性力學(xué)性能。通過(guò)將仿生原理與織物技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)剛度特性的BFL。提出了生物啟發(fā)設(shè)計(jì)，包括針織、單層編織和雙層編織結(jié)構(gòu)。這種方法不僅允許精確控制纖維的空間排列，還能夠通過(guò)調(diào)整股數(shù)和紗線數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)力學(xué)性能。最終，使得BFL具有與天然韌帶高度相似的生物力學(xué)特性。BFL使用聚乙烯（PE）線材制造，并使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（UTM5504, SUNS, China）進(jìn)行單軸拉伸測(cè)試。結(jié)果表明，不同的織物結(jié)構(gòu)可以有效控制BFL的剛度。雙層編織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最高的剛度，其次是具有中等剛度的針織結(jié)構(gòu)，單層編織結(jié)構(gòu)的剛度最低�；�于每種天然韌帶的解剖參數(shù)、形態(tài)特征和拉伸強(qiáng)度，選擇了合適的織物圖案來(lái)制造BFL。

為了闡明股數(shù)對(duì)針織、單層編織和雙層編織結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度的影響，對(duì)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了定量評(píng)估。制造了具有不同股數(shù)的BFL，并基于三種提出的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了單軸拉伸測(cè)試。BFL的剛度與股數(shù)呈顯著正相關(guān)。在相同的結(jié)構(gòu)配置下，將股數(shù)從4增加到12會(huì)導(dǎo)致力-位移曲線變陡，揭示了剛度隨著股數(shù)的增加而增強(qiáng)。這些發(fā)現(xiàn)表明，可以通過(guò)選擇合適的股數(shù)來(lái)有效調(diào)節(jié)BFL的剛度，從而為實(shí)現(xiàn)BFL工程設(shè)計(jì)中可調(diào)剛度提供了關(guān)鍵策略和理論依據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了紗線數(shù)對(duì)BFL剛度的影響。紗線數(shù)為控制BFL剛度提供了一個(gè)適度的調(diào)節(jié)參數(shù)。例如，說(shuō)明了BFL的部分剛度。這些定量結(jié)果表明，在固定股數(shù)的情況下，BFL的總剛度隨著紗線數(shù)的增加呈線性增加。在相同的結(jié)構(gòu)條件下，不同股數(shù)也觀察到相似的趨勢(shì)�？傊�，這些結(jié)果表明，紗線數(shù)為BFL的剛度提供了適度且非線性的調(diào)節(jié)效應(yīng)。這種力學(xué)行為可能歸因于紗線數(shù)量增加所帶來(lái)的橫截面承重面積擴(kuò)大和纖維間相互作用的增強(qiáng)。通過(guò)定量分析股數(shù)、紗線數(shù)和剛度系數(shù)之間的關(guān)系，本研究為調(diào)節(jié)BFL剛度的可行性提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，開(kāi)發(fā)了個(gè)體BFL以復(fù)現(xiàn)天然韌帶的功能特性和形態(tài)特征，用于重建BLSS。單個(gè)樣品被展示，制成的BFL的詳細(xì)參數(shù)總結(jié)在表中。每種BFL的力學(xué)性能與先前文獻(xiàn)中報(bào)道的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的BFL在“趾”區(qū)表現(xiàn)出J形力-位移行為和與天然韌帶相當(dāng)?shù)膭偠戎担�這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果一致。然而，在線性區(qū)產(chǎn)生了偏差。這些偏差可能會(huì)通過(guò)精細(xì)的結(jié)構(gòu)配置和參數(shù)調(diào)整來(lái)進(jìn)一步減小。為了準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)特定的脊柱形態(tài)和生物力學(xué)，通過(guò)增材制造技術(shù)制造了具有復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的個(gè)性化生物啟發(fā)椎體和IVD。此外，從腰椎計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）圖像重建了天然L3–L5椎體的三維模型，展示了其幾何模型，并通過(guò)光聚合三維打印技術(shù)制造了生物啟發(fā)椎體，詳細(xì)參數(shù)列于表S1�；�于天然IVD的功能-結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了不同節(jié)段的生物啟發(fā)IVD，并在表S2和表S3中分別展示了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。生物啟發(fā)IVD樣品最終使用多材料三維打印制造。此外，上下固定塊使用熔融沉積成型技術(shù)由聚乳酸（PLA）制造。通過(guò)整合開(kāi)發(fā)的BFL，組裝了BLSS。

雖然單個(gè)BFL為結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供了關(guān)鍵見(jiàn)解，但它們不能完全再現(xiàn)腰椎的耦合運(yùn)動(dòng)和約束功能。通過(guò)在節(jié)段性椎體框架內(nèi)嵌入多個(gè)BFL，所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)可以復(fù)現(xiàn)生理相關(guān)的脊柱運(yùn)動(dòng)學(xué)和穩(wěn)定性，從而揭示BFL與整個(gè)脊柱運(yùn)動(dòng)學(xué)之間的耦合關(guān)系。然而，組裝策略（包括組件集成的順序）在確定機(jī)械誤差的傳遞、應(yīng)力分布以及系統(tǒng)自由度約束方面起著關(guān)鍵作用，所有這些都直接影響機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)精度。我們研究了不同組裝方法對(duì)BLSS生物力學(xué)性能的影響，考慮了三種不同的組裝策略（方法I、方法II和方法III）。作為基線，還評(píng)估了不含BFL的組裝（方法IV）。使用先前建立的配備庫(kù)卡機(jī)械臂的測(cè)試平臺(tái)，在受控的實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)模擬天然脊柱的三維運(yùn)動(dòng)模式，量化了所開(kāi)發(fā)BLSS的ROM。這些在解剖平面上的靜態(tài)運(yùn)動(dòng)模式，包括伸展/屈曲、側(cè)屈和軸向旋轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，組裝方法I顯示所設(shè)計(jì)的模型能夠再現(xiàn)天然腰椎的非線性變剛度行為。然而，運(yùn)動(dòng)模式與生理數(shù)據(jù)存在偏差，尤其是在側(cè)屈方面尤為明顯。此外，在相對(duì)較高的施加力矩下，觀察到位移的突然增加。這些結(jié)果表明，包括B-PLL、B-LF和B-ISL在內(nèi)的后部BFL可能無(wú)法獲得足夠的預(yù)緊力，因?yàn)樯�物啟發(fā)IVD是先安裝的，然后才安裝BFL。組裝方法II的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與I方法相比，能更好地再現(xiàn)天然IVD的非線性變剛度行為。然而，由于B-PLL和B-LF是先安裝的，ROM仍然偏離生理行為。在測(cè)試過(guò)程中，屈曲運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致韌帶拉伸，導(dǎo)致測(cè)量的屈曲值出現(xiàn)波動(dòng)。此外，位于側(cè)方的B-ITL對(duì)側(cè)屈運(yùn)動(dòng)影響很小，預(yù)緊效應(yīng)也未達(dá)到預(yù)期水平。組裝方法III，即在安裝生物啟發(fā)IVD之前優(yōu)先安裝所有BFL，更準(zhǔn)確地再現(xiàn)了生理人體腰椎運(yùn)動(dòng)中觀察到的非線性變剛度行為，與人體運(yùn)動(dòng)特征相符。組裝方法III的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，B-ITL的安裝主要影響側(cè)屈和軸向旋轉(zhuǎn)。在安裝生物啟發(fā)IVD之后，椎間盤(pán)距離增加，使B-ITL拉直并達(dá)到所需的預(yù)緊力。類(lèi)似地，先安裝B-ALL會(huì)影響伸展運(yùn)動(dòng)，安裝椎間盤(pán)后，椎間隙增加，使韌帶拉直以滿足其預(yù)緊要求。因此，組裝方法III最終被選為組裝BLSS的首選策略。在組裝方法IV中，在7.5 N·m力矩下，屈曲角度達(dá)到約11^°，超過(guò)了人類(lèi)腰椎的正常生理范圍，這與之前的工作一致。生物啟發(fā)IVD觀察到的過(guò)大ROM可歸因于缺乏BFL，這損害了系統(tǒng)在施加力矩下復(fù)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)的能力。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)突顯了BFL在限制腰椎過(guò)度伸展方面的關(guān)鍵作用。此外，疲勞測(cè)試前后的ROM比較表明，BLSS具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的機(jī)械性能。因此，與當(dāng)前缺乏韌帶或不含韌帶的模型相比，所開(kāi)發(fā)的BLSS提供了更精確的三維生理運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)，并提高了生物力學(xué)保真度。

從上述比較分析來(lái)看，與完整的人類(lèi)尸體標(biāo)本的生物力學(xué)數(shù)據(jù)相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出一致性和差異性。這些差異很可能歸因于本研究中省略了天然CL，因?yàn)槠洳灰?guī)則的幾何形狀和顯著的節(jié)段間變異性使得用人工結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確重建在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。然而，省略天然CL會(huì)導(dǎo)致節(jié)段間ROM增加并降低旋轉(zhuǎn)剛度，尤其是在屈伸和軸向運(yùn)動(dòng)中。因此，忽略CL會(huì)高估當(dāng)前BLSS在屈伸和軸向運(yùn)動(dòng)中的節(jié)段ROM。在未來(lái)的工作中，將明確納入天然CL的生物力學(xué)貢獻(xiàn)，以進(jìn)一步提高所開(kāi)發(fā)BLSS的準(zhǔn)確性和生理相關(guān)性。

盡管在屈曲階段ROM存在某些偏差，但其余運(yùn)動(dòng)模式均落在報(bào)道文獻(xiàn)的范圍內(nèi)。這一發(fā)現(xiàn)表明，與不含BFL的配置相比，所提出的BFL的引入提高了脊柱運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)的生理保真度，這是由于開(kāi)發(fā)的BFL具有非線性和可調(diào)剛度的特性。最近，通過(guò)增材制造技術(shù)制備的幾種機(jī)械超材料，如蜂窩和拉脹超材料，通過(guò)幾何控制的變形機(jī)制表現(xiàn)出非線性和可調(diào)的機(jī)械響應(yīng)。雖然這些設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)顯著的非線性和剛度調(diào)節(jié)，但其機(jī)械響應(yīng)主要由離散的幾何不穩(wěn)定性和單元變形模式?jīng)Q定，這會(huì)導(dǎo)致剛度突然轉(zhuǎn)變、強(qiáng)烈的加載方向依賴性和局部應(yīng)力集中。相比之下，所開(kāi)發(fā)的BFL源自根本不同的纖維結(jié)構(gòu)配置。這種纖維主導(dǎo)的分級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了平滑、連續(xù)的J形應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)和可調(diào)剛度，使韌帶在低應(yīng)變下保持柔順以適應(yīng)生理關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在較高應(yīng)變下逐漸增加剛度以確保關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。總體而言，所開(kāi)發(fā)的BLSS為評(píng)估椎間植入物的機(jī)械性能提供了一個(gè)穩(wěn)健的平臺(tái)，并為個(gè)性化設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一個(gè)新工具。

在這項(xiàng)工作中，提出了一種基于織物技術(shù)的仿生腰椎韌帶設(shè)計(jì)和制造方法。通過(guò)優(yōu)化織物結(jié)構(gòu)、股數(shù)和紗線數(shù)，可以調(diào)節(jié)BFL的力學(xué)性能，確保腰椎節(jié)段運(yùn)動(dòng)模擬過(guò)程中的被動(dòng)關(guān)節(jié)約束更接近生理?xiàng)l件。迄今為止，很少有研究報(bào)道整合仿生原理、織物技術(shù)和三維打印的BLSS。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了BLSS以復(fù)現(xiàn)腰椎節(jié)段的生理三維運(yùn)動(dòng)特征�；�于CT圖像重建天然椎體、IVD和韌帶的三維模型，為定制設(shè)計(jì)提供了解剖學(xué)基礎(chǔ)。這些模型為BLSS提供了幾何框架，能夠?qū)⒅踩胛锉砻婧蛢?nèi)部結(jié)構(gòu)精確映射到患者的脊柱形態(tài)上。通過(guò)調(diào)節(jié)韌帶結(jié)構(gòu)以復(fù)現(xiàn)天然脊柱的生物力學(xué)行為，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化和參數(shù)化設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)整BLSS的幾何尺寸、節(jié)段特異性剛度以及韌帶參數(shù)，以適應(yīng)每個(gè)節(jié)段的解剖尺寸和功能需求，確保了生理ROM的一致性，從而實(shí)現(xiàn)了跨不同脊柱節(jié)段的縮放。因此，BLSS是一個(gè)完全可定制的、適用于特定患者和特定節(jié)段的脊柱植入物平臺(tái)。盡管本研究側(cè)重于通過(guò)纖維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可調(diào)剛度，但基質(zhì)的作用需要進(jìn)一步研究。此外，本研究中的力學(xué)行為是在體外條件下進(jìn)行的，無(wú)法完全復(fù)現(xiàn)天然韌帶經(jīng)歷的復(fù)雜生理環(huán)境，包括水合、溫度和生化相互作用。這些因素會(huì)影響韌帶的力學(xué)性能和長(zhǎng)期功能表現(xiàn)。因此，將在未來(lái)工作中設(shè)計(jì)基質(zhì)-纖維耦合，并在生理相關(guān)的測(cè)試條件下評(píng)估其力學(xué)行為。

在本研究中，使用CT系統(tǒng)獲取一名健康男性受試者的腰椎圖像數(shù)據(jù)。使用Mimics和Geomagic Wrap軟件重建了L3–L5節(jié)段的平滑三維模型。隨后，使用CATIA生成了L3–L5椎體和天然IVD的三維物理模型。為了能與BFL集成，根據(jù)解剖形態(tài)在L3–L5椎體的韌帶附著點(diǎn)處設(shè)計(jì)了若干孔，以利于BFL的穩(wěn)定固定。最終的仿生椎體模型以.stl格式導(dǎo)出，并在PreForm軟件中進(jìn)行切片。仿生椎體使用Formlabs Form 3三維打印機(jī)進(jìn)行制造，該打印機(jī)采用精密激光逐層選擇性固化液態(tài)光敏聚合物樹(shù)脂。優(yōu)化了打印參數(shù)，包括層厚和支撐結(jié)構(gòu)，以保持解剖保真度和尺寸精度。制造完成后，打印的椎體經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的后處理程序，包括在異丙醇中沖洗和移除支撐結(jié)構(gòu)，以確保機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

基于天然IVD的功能-結(jié)構(gòu)特征，使用SolidWorks軟件建立了仿生IVD模型。該模型由一個(gè)中央的仿生髓核（NP）和一個(gè)外圍的仿生纖維環(huán)（AF）組成。仿生NP約占總橫截面積的40%，由各向同性材料構(gòu)成。AF設(shè)計(jì)為三層，每層包含交替的纖維層和基質(zhì)層。纖維方向?yàn)?5^°角，基質(zhì)剛度設(shè)計(jì)為從內(nèi)層到外層逐漸增加。仿生IVD模型以.stp格式導(dǎo)出，并導(dǎo)入到GrabCAD Print軟件中。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范分配材料屬性，隨后使用三維打印技術(shù)制造模型。

使用最大負(fù)載容量為30,000 N的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（UTM5504, SUNS, China）評(píng)估不同結(jié)構(gòu)配置BFL的力學(xué)性能。測(cè)試在位移控制模式下進(jìn)行，加載速率為2 mm/min，循環(huán)拉伸加載10個(gè)周期，當(dāng)施加的力達(dá)到200 N時(shí)終止。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，連續(xù)記錄力-位移數(shù)據(jù)以評(píng)估BFL的力學(xué)性能。

為了評(píng)估所開(kāi)發(fā)BLSS的運(yùn)動(dòng)性能，構(gòu)建了一個(gè)機(jī)器人測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)包括一個(gè)機(jī)器人臂、BLSS、一個(gè)六軸力/扭矩傳感器和連接組件。對(duì)機(jī)器人臂進(jìn)行編程以施加生理性的三維脊柱運(yùn)動(dòng)。隨后，測(cè)量BLSS的ROM，并進(jìn)行比較以評(píng)估其機(jī)械功能。

參考ASTM F2346-05，在應(yīng)力比R = -1下，對(duì)使用方法III組裝的BLSS進(jìn)行壓縮-壓縮疲勞測(cè)試。使用疲勞測(cè)試系統(tǒng)施加類(lèi)似于天然IVD的400 N循環(huán)載荷的正弦波；在室溫（約23^°C，40%相對(duì)濕度）空氣中，以1 Hz的頻率進(jìn)行100,000次循環(huán)。