基于负泊松比钛合金蜂窝结构的腰椎间盘假体生物力学性能有限元分析

针对传统腰椎间盘置换术(TDR)植入体机械匹配性差、再手术率高等问题，研究人员通过有限元分析(FE)对比研究了新型钛合金(XCEL)与SB Charité?(SBC)植入体的生物力学特性。结果显示XCEL的负泊松比蜂窝结构使应力分布更接近天然椎间盘(116 vs 191.82 MPa)，活动度(ROM)恢复至11°，为个性化脊柱植入体设计提供了新思路。

　　

脊柱健康是人类直立行走的重要保障，但椎间盘退变和损伤常导致慢性疼痛。目前临床常用的SB Charité?等人工椎间盘植入体存在金属-聚合物界面磨损、应力集中等问题，五年再手术率高达11%。更令人担忧的是，传统植入体难以模拟天然椎间盘的负泊松比特性和多向活动能力，这直接影响了患者的长期预后。

针对这些挑战，研究人员开展了一项突破性研究。通过计算机断层扫描(CT)获取健康男性志愿者的腰椎DICOM数据，使用Materialize MIMICS 17.0软件建立了包含皮质骨、松质骨、纤维环(AF)、髓核(NP)和主要韧带的精确有限元模型。研究团队创新性地设计了全钛合金(XCEL)植入体，其具有仿生终板曲率和独特的负泊松比蜂窝核心结构。通过对比完整脊柱模型(ISM)、SBC植入模型和XCEL模型在压缩-扭转复合载荷下的力学响应，发现XCEL的最大von-Mises应力(127.45 MPa)显著低于SBC(191.82 MPa)，更接近天然椎间盘(116 MPa)。在屈曲活动度测试中，XCEL(11°)与SBC(11.9°)均能有效维持脊柱稳定性。

关键技术包括：基于临床CT数据的逆向工程建模、Ti6Al4V合金的负泊松比结构参数优化、多工况有限元分析(包含1000 N轴向载荷和10 Nm力矩的扭转运动模拟)，以及活动度(ROM)定量评估。

Intact lumbar spine model generation
通过0.64 mm层厚CT数据重建L1-L5节段三维模型，精确划分不同组织材料属性，建立包含7种主要韧带的高保真基准模型。

Results
应力分析显示XCEL在L4-L5节段的峰值应力(8.41 MPa)仅为SBC的4.4%，其蜂窝结构有效分散了载荷。活动度测试证实XCEL在屈曲(11°)、侧弯(9.3°)和旋转(7.8°)方向均能维持生理运动范围。

Discussions
负泊松比结构在冲击载荷下表现出独特的收缩-膨胀响应，这种与天然椎间盘相似的变形机制可能是应力优化的关键。仿生终板设计减少了骨-植入体界面的微动磨损风险。

Conclusion
该研究证实钛合金负泊松比结构可同时实现机械顺应性和耐久性，其应力分布模式更接近天然椎间盘。这种设计为开发新一代个性化脊柱植入体提供了理论依据，未来可通过激光增材制造实现临床转化。论文发表于《Journal of Clinical Neuroscience》，为运动保留型脊柱重建技术树立了新标杆。