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这篇综述聚焦人工椎间盘（IVD）仿生进化。阐述了腰椎间盘置换中人工椎间盘的应用现状，通过文献回顾分析了天然与人工椎间盘的结构差异、建模方法等，旨在为新型 IVD 植入物的设计研发提供参考，助力恢复脊柱自然功能。
人工椎间盘研究背景
在腰椎全椎间盘置换手术里，人工椎间盘植入物被用于治疗退行性椎间盘疾病（degenerative disc disease），恢复脊柱的自然运动功能。人类椎间盘（Intervertebral Disc，IVD）是脊柱的重要组成部分，它能够赋予脊柱六个自由度的活动能力，还具备弹性变形和减震的功能，并且在不同的负荷条件下发挥着不同的作用。
尽管目前脊柱固定系统和 IVD 置换技术都有了很大进步，但在保证脊柱长期节段稳定性的同时，维持其生理运动仍是一大难题。为了解决这个问题，研究人员通过对人工 IVD 植入物的生物力学进行深入分析，希望为新型植入物的设计与开发提供关键信息，使这些植入物能完美融入脊柱，恢复脊柱的自然功能，拥有和天然 IVD 一样良好的弹性和长久的使用寿命，具备长期且稳定的承重能力。
研究方法与主要内容
研究人员进行了全面的文献综述，从人体结构、相关疾病、生物力学以及各种 IVD 开发模型等方面梳理研究成果，并进行批判性分析，为未来新型 IVD 植入物的设计和开发提供思路。具体包括以下几个关键方面：
- 天然椎间盘成分行为在人工椎间盘设计中的模拟：设计人员和制造商致力于在人工椎间盘植入物的设计中模拟天然椎间盘成分的行为。天然椎间盘的结构和功能非常复杂，其中髓核、纤维环等成分在维持椎间盘正常生理功能上起着关键作用。了解这些成分在不同负荷下的行为，比如髓核如何分散压力、纤维环怎样限制过度运动等，有助于设计出更接近天然椎间盘性能的人工植入物。
- 天然与人工椎间盘结构设计的差距：对比天然和人工椎间盘的结构设计，能发现两者存在不少差距。天然椎间盘具有独特的分层结构和细胞外基质成分，使其具备优异的力学性能和生物学活性。而现有的人工椎间盘在结构上往往难以完全复制这些特性，这可能影响其长期稳定性和生物相容性，所以研究两者结构差距对改进人工椎间盘设计至关重要。
- 新型计算机技术对天然结构的建模：新的计算机技术和程序在模拟天然椎间盘结构方面具有巨大潜力。利用计算机辅助设计（CAD）、有限元分析（FEA）等技术，可以构建出高度仿真的天然椎间盘模型。通过这些模型，研究人员能更直观地观察椎间盘在不同受力情况下的力学响应，为人工椎间盘的优化设计提供理论依据。
- 利用计算机方法提高模拟准确性：借助计算机方法进一步提升模拟的准确性是研究的重要方向。在模拟过程中，考虑更多的生理因素，如椎间盘的非线性材料特性、与周围组织的相互作用等，可以使模拟结果更接近真实情况。这样能在植入物研发阶段更好地预测其性能，减少后期临床试验的风险。
- 增材制造技术满足患者个性化需求：增材制造技术，也就是 3D 打印技术，能够根据患者的具体需求定制植入物。每个患者的椎间盘尺寸、形状以及病变情况都有所不同，传统的批量生产植入物难以满足个性化需求。而增材制造技术可以根据患者的影像学数据，制造出贴合其个体解剖结构的人工椎间盘，提高植入物的适配性和治疗效果。
