近期，四川大学分析测试中心张利教授和华西医院骨科丰干钧教授在 Bioactive Materials 上联合发表研究性文章，采用3D打印技术制备具有负泊松比结构的热塑性聚氨酯弹性支架用于椎间盘替代，该负泊松比结构对传统“Bucklicrystal”结构进行改良，改良后的支架具有优异的能量吸收及能量耗散特性，且该支架在压缩下横向收缩的负泊松比特性能有效缓解腰椎间盘突出。
研究内容简介
椎间盘是脊柱的基本组成部分，由中央的胶状髓核和外周的纤维环构成。椎间盘突出是一种常见的临床疾病，指凝胶状髓核从撕裂的纤维环中突出，压迫邻近的脊髓和神经，引起患者腰背部疼痛，严重者可致残疾。当椎间盘退变到后期，常需进行腰椎间盘置换术，尽管市面上已有可商用的椎间盘植入物，但大多数由于其高刚性而不能完全恢复脊柱的生理功能。泊松比是指材料在单向受拉或受压时横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，通常认为几乎所有的材料泊松比值都为正。负泊松比支架作为一种超材料，在压缩载荷下产生于不同于传统材料的收缩现象。本研究通过3D打印构建了一种负泊松比热塑性聚氨酯（TPU）弹性支架用于椎间盘植入物，可有效缓解腰椎间盘突出。其中，经典的负泊松比“Bucklicrystal”结构由具有6或12个周期性排列的弹性球壳组成，通过球壳的屈曲和连接节点的旋转实现负泊松比效应。本研究设计构建了一种改良的“Bucklicrystal”结构，通过球壳的面与面进行连接，增强了该负泊松比结构在负载下的机械稳定性，且3D打印负泊松比支架具有优异的能量吸收及能量耗散特性。使用有限元模拟分析了负泊松比植入物在各种实际载荷条件（弯曲、扭转、伸展和屈曲）下的力学行为，结果表明，与天然椎间盘和传统正泊松比植入物相比，该新型负泊松比植入物在实际载荷条件下表现出更有效的应力传递和耗散，且在压缩下横向收缩的能力能有效缓解腰椎间盘突出。最后，对负泊松比植入物的体内外生物相容性进行了评估（示意图1）。
示意图1 负泊松比TPU支架用于椎间盘植入
首先，设计构建相同体积分数的正负泊松比模型，并通过3D打印成型TPU-X（正泊松比）和TPU-A（负泊松比）支架，通过有限元分析验证TPU-A相较于天然椎间盘和TPU-X具有更均匀的应力分布，且TPU-A表现出典型的负泊松比效应，这一效应对椎间盘退变的抑制作用通过模型进行了直观展示（图1）。
图1 正负泊松比支架的构建及变形行为分析
随后，通过体外力学测试分析了TPU-X和TPU-A支架在不同应变下的泊松比值，分析比较两种支架的应力应变曲线、能量吸收、加载-卸载循环曲线、多次循环下的弹性模量及耗散能，结果表明TPU-A支架因其改良的“Bucklicrystal”结构而表现出优异的力学性能（图2,3）。
图2 正负泊松比支架的体外力学测试
图3 正负泊松比支架的循环载荷分析
通过CT图像对腰椎间盘同步建立有限元模型（图4）。
图4 人体腰椎及椎间盘有限元模型构建
进一步通过人体腰椎及椎间盘有限元模型分析材料在各种实际载荷条件（弯曲、扭转、伸展和屈曲）下的力学行为，TPU-A支架作为腰椎间盘植入物相较于天然椎间盘和正泊松比TPU-X支架的应力传递和耗散更加均匀，且具有更好的抗外部载荷的能力。值得强调的是，TPU-A植入物在人体载荷下不同于天然椎间盘的明显膨出及TPU-X的轻微隆出，而是表现出基于负泊松比效应的收缩，可有效预防椎间盘突出（图5）。
图5 人体腰椎及椎间盘在各种实际载荷下的变形行为分析
该TPU-A植入物与软骨细胞及椎间盘髓核细胞共培养，发现其具有优异的生物相容性及细胞粘附性（图6）。
图6 TPU-A的体外生物学分析
使用兔椎间盘模型进行体内植入实验证实了TPU-A在植入后相较于缺损组可以一定程度上恢复椎间盘运动节段的机械及生理功能（图7,8）。但本工作仅从概念验证角度指出该新型负泊松比结构植入物在椎间盘替代及预防椎间盘突出方面的有效性，为未来的设计和开发指明了新方向。在未来的工作中，应在大型动物模型（如猪、山羊）中进行体内研究，以充分验证植入物的长期服役性能。
图7 TPU-A植入兔子椎间盘后的核磁及影像学评估
图8 TPU-A植入兔子椎间盘后的组织学分析
