《Small Structures》：Bioinspired Fabric Ligament with Tunable Stiffness for Reproducing 3D Lumbar Spine Kinematics
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这篇综述介绍了一种创新的仿生织物韧带（BFL），它通过模拟天然韧带的分级结构，实现了非线性力学行为和刚度可调。将其与三维打印的仿生椎体和椎间盘（IVD）集成，构建了生物启发的腰椎系统（BLSS），该系统能够复现生理相关的三维腰椎运动，为椎间植入物的评估提供了高保真的可靠平台。
引言
腰椎退行性椎间盘疾病已成为全球主要的健康问题，导致巨大的医疗支出并给患者及其家庭带来沉重的经济负担。常见且有效的手术策略涉及腰椎椎间融合（LIF）融合器或全椎间盘置换（LTDR）装置。因此，这些植入物的功能特性是其临床效果的关键决定因素。为了评估脊柱植入物的生物力学性能，已有几种代表性的测试方法，包括生物标本、有限元分析（FEA）和脊柱模拟器。生物标本，如人类尸体和动物模型，能够在生理载荷条件下逼真地模拟脊柱运动和机械行为。然而，这些方法存在局限性，包括严格的伦理限制、高昂的实验成本、标本获取的挑战以及缺乏真正的生理环境。有限元分析已成为另一种广泛应用的构建脊柱模型的方法，因为它能够复现复杂的解剖几何形状以及异质、各向异性的材料特性。尽管如此，预测的准确性高度依赖于输入参数和建模假设的可靠性。为了克服这些局限性，人们根据ASTM/ISO标准开发了脊柱模拟器（例如脊柱测试机和合成脊柱模型）。然而，它们的加载模式通常过于简化，无法准确复现生理性的脊柱运动。更关键的是，它们通常忽略了韧带的结构和功能作用，导致过大的运动范围（ROM），降低了生物力学评估的保真度。
人体腰椎是一个高度复杂的生物力学系统，其中天然椎间盘（IVD）、关节突关节和周围的韧带协同工作，在维持稳定性的同时允许适当的生理活动。在这些结构中，天然韧带在连接骨骼、限制过度运动、分配载荷和预防损伤方面起着至关重要的作用。天然韧带由胶原纤维的亚束状束层分级组成。模仿这些结构特征，使用工程材料来开发具有可调刚度的生物启发韧带替代物，以再现腰椎的运动学，提供了一个有前景的策略。特别是，基于织物的结构已展现出卓越的柔韧性、耐用性、应变可编程性、抗疲劳性和各向异性响应，与脊柱韧带的功能需求高度吻合。本文提出了用于腰椎的生物启发织物韧带（BFL），其具有可调的刚度特性，能密切模仿天然韧带。当集成到生物启发的腰椎系统（BLSS）中时，所开发的BFL有望提供生理相关的运动约束和ROM，从而提高生物力学测试的保真度，并为肌肉骨骼组织工程提供新的见解。
结果与讨论
BFLs的设计原理
功能性脊柱单位（FSU）是人腰椎的基本结构组成部分，通常包括上下椎体、天然IVD和周围的韧带。天然韧带是重要的结缔组织复合体，具有非线性力学特性和可调的力学性能。这些力学特性源于天然韧带的分级结构，使其能够适应不同的脊柱节段和加载模式。在微观尺度上，胶原纤维的直径、方向、排列和交联密度控制着刚度的演变。在宏观尺度上，纤维束结构、韧带形态的变化，使得不同的韧带，甚至同一韧带在不同脊柱节段，都能表现出可调的刚度和非线性特性。因此，非线性的力学特性和可调的刚度是通过分级结构实现的。为了连接相邻椎体，韧带与周围的脊柱肌肉一起，实现了可控的生理运动并维持固定的姿势位置。它们在限制过度的椎间关节运动、增强关节稳定性和保护脊髓方面也起着关键作用。FSU主要由七种不同的韧带组成，每种韧带都有独特的形态、尺寸、附着部位和功能特征。
织物结构可以通过可控的纤维股线和层数，有效模拟天然韧带的分级结构和非线性力学性能。通过将仿生原理与织物技术相结合，可以实现具有可调刚度特性的BFL。提出了生物启发设计，包括针织、单层编织和双层编织结构。这种方法不仅允许精确控制纤维的空间排列，还能够通过调整股数和纱线数等结构参数来调节力学性能。最终，使得BFL具有与天然韧带高度相似的生物力学特性。BFL使用聚乙烯（PE）线材制造，并使用万能试验机（UTM5504, SUNS, China）进行单轴拉伸测试。结果表明，不同的织物结构可以有效控制BFL的刚度。双层编织结构表现出最高的刚度，其次是具有中等刚度的针织结构，单层编织结构的刚度最低。基于每种天然韧带的解剖参数、形态特征和拉伸强度，选择了合适的织物图案来制造BFL。
用于BLSS应用的具有可调特性的BFL
为了阐明股数对针织、单层编织和双层编织结构结构刚度的影响，对力学响应进行了定量评估。制造了具有不同股数的BFL，并基于三种提出的设计方法进行了单轴拉伸测试。BFL的刚度与股数呈显著正相关。在相同的结构配置下，将股数从4增加到12会导致力-位移曲线变陡，揭示了刚度随着股数的增加而增强。这些发现表明，可以通过选择合适的股数来有效调节BFL的刚度，从而为实现BFL工程设计中可调刚度提供了关键策略和理论依据。
在此基础上，进一步研究了纱线数对BFL刚度的影响。纱线数为控制BFL刚度提供了一个适度的调节参数。例如，说明了BFL的部分刚度。这些定量结果表明，在固定股数的情况下，BFL的总刚度随着纱线数的增加呈线性增加。在相同的结构条件下，不同股数也观察到相似的趋势。总之，这些结果表明，纱线数为BFL的刚度提供了适度且非线性的调节效应。这种力学行为可能归因于纱线数量增加所带来的横截面承重面积扩大和纤维间相互作用的增强。通过定量分析股数、纱线数和刚度系数之间的关系，本研究为调节BFL刚度的可行性提供了实验证据，为其结构优化提供了有价值的指导。
根据上述设计原理，开发了个体BFL以复现天然韧带的功能特性和形态特征，用于重建BLSS。单个样品被展示，制成的BFL的详细参数总结在表中。每种BFL的力学性能与先前文献中报道的数据进行了对比验证。结果表明，所开发的BFL在“趾”区表现出J形力-位移行为和与天然韧带相当的刚度值，这与文献报道的结果一致。然而，在线性区产生了偏差。这些偏差可能会通过精细的结构配置和参数调整来进一步减小。为了准确复现特定的脊柱形态和生物力学，通过增材制造技术制造了具有复杂解剖结构的个性化生物启发椎体和IVD。此外，从腰椎计算机断层扫描（CT）图像重建了天然L3–L5椎体的三维模型，展示了其几何模型，并通过光聚合三维打印技术制造了生物启发椎体，详细参数列于表S1。基于天然IVD的功能-结构特征，设计了不同节段的生物启发IVD，并在表S2和表S3中分别展示了相关结构参数。生物启发IVD样品最终使用多材料三维打印制造。此外，上下固定块使用熔融沉积成型技术由聚乳酸（PLA）制造。通过整合开发的BFL，组装了BLSS。
集成BLSS用于复现生理性腰椎运动学
虽然单个BFL为结构-性能关系提供了关键见解，但它们不能完全再现腰椎的耦合运动和约束功能。通过在节段性椎体框架内嵌入多个BFL，所开发的系统可以复现生理相关的脊柱运动学和稳定性，从而揭示BFL与整个脊柱运动学之间的耦合关系。然而，组装策略（包括组件集成的顺序）在确定机械误差的传递、应力分布以及系统自由度约束方面起着关键作用，所有这些都直接影响机械系统的稳定性和运动精度。我们研究了不同组装方法对BLSS生物力学性能的影响，考虑了三种不同的组装策略（方法I、方法II和方法III）。作为基线，还评估了不含BFL的组装（方法IV）。使用先前建立的配备库卡机械臂的测试平台，在受控的实验条件下，通过模拟天然脊柱的三维运动模式，量化了所开发BLSS的ROM。这些在解剖平面上的静态运动模式，包括伸展/屈曲、侧屈和轴向旋转。
实验结果表明，组装方法I显示所设计的模型能够再现天然腰椎的非线性变刚度行为。然而，运动模式与生理数据存在偏差，尤其是在侧屈方面尤为明显。此外，在相对较高的施加力矩下，观察到位移的突然增加。这些结果表明，包括B-PLL、B-LF和B-ISL在内的后部BFL可能无法获得足够的预紧力，因为生物启发IVD是先安装的，然后才安装BFL。组装方法II的实验结果表明，与I方法相比，能更好地再现天然IVD的非线性变刚度行为。然而，由于B-PLL和B-LF是先安装的，ROM仍然偏离生理行为。在测试过程中，屈曲运动导致韧带拉伸，导致测量的屈曲值出现波动。此外，位于侧方的B-ITL对侧屈运动影响很小，预紧效应也未达到预期水平。组装方法III，即在安装生物启发IVD之前优先安装所有BFL，更准确地再现了生理人体腰椎运动中观察到的非线性变刚度行为，与人体运动特征相符。组装方法III的实验结果说明，B-ITL的安装主要影响侧屈和轴向旋转。在安装生物启发IVD之后，椎间盘距离增加，使B-ITL拉直并达到所需的预紧力。类似地，先安装B-ALL会影响伸展运动，安装椎间盘后，椎间隙增加，使韧带拉直以满足其预紧要求。因此，组装方法III最终被选为组装BLSS的首选策略。在组装方法IV中，在7.5 N·m力矩下，屈曲角度达到约11°，超过了人类腰椎的正常生理范围，这与之前的工作一致。生物启发IVD观察到的过大ROM可归因于缺乏BFL，这损害了系统在施加力矩下复现预期运动的能力。这些实验数据突显了BFL在限制腰椎过度伸展方面的关键作用。此外，疲劳测试前后的ROM比较表明，BLSS具有长期稳定的机械性能。因此，与当前缺乏韧带或不含韧带的模型相比，所开发的BLSS提供了更精确的三维生理运动再现，并提高了生物力学保真度。
从上述比较分析来看，与完整的人类尸体标本的生物力学数据相比，实验结果表现出一致性和差异性。这些差异很可能归因于本研究中省略了天然CL，因为其不规则的几何形状和显著的节段间变异性使得用人工结构进行准确重建在技术上具有挑战性。然而，省略天然CL会导致节段间ROM增加并降低旋转刚度，尤其是在屈伸和轴向运动中。因此，忽略CL会高估当前BLSS在屈伸和轴向运动中的节段ROM。在未来的工作中，将明确纳入天然CL的生物力学贡献，以进一步提高所开发BLSS的准确性和生理相关性。
尽管在屈曲阶段ROM存在某些偏差，但其余运动模式均落在报道文献的范围内。这一发现表明，与不含BFL的配置相比，所提出的BFL的引入提高了脊柱运动复现的生理保真度，这是由于开发的BFL具有非线性和可调刚度的特性。最近，通过增材制造技术制备的几种机械超材料，如蜂窝和拉胀超材料，通过几何控制的变形机制表现出非线性和可调的机械响应。虽然这些设计可以实现显著的非线性和刚度调节，但其机械响应主要由离散的几何不稳定性和单元变形模式决定，这会导致刚度突然转变、强烈的加载方向依赖性和局部应力集中。相比之下，所开发的BFL源自根本不同的纤维结构配置。这种纤维主导的分级结构实现了平滑、连续的J形应力-应变响应和可调刚度，使韧带在低应变下保持柔顺以适应生理关节运动，同时在较高应变下逐渐增加刚度以确保关节稳定性。总体而言，所开发的BLSS为评估椎间植入物的机械性能提供了一个稳健的平台，并为个性化设计优化提供了一个新工具。
结论
在这项工作中，提出了一种基于织物技术的仿生腰椎韧带设计和制造方法。通过优化织物结构、股数和纱线数，可以调节BFL的力学性能，确保腰椎节段运动模拟过程中的被动关节约束更接近生理条件。迄今为止，很少有研究报道整合仿生原理、织物技术和三维打印的BLSS。在此基础上，开发了BLSS以复现腰椎节段的生理三维运动特征。基于CT图像重建天然椎体、IVD和韧带的三维模型，为定制设计提供了解剖学基础。这些模型为BLSS提供了几何框架，能够将植入物表面和内部结构精确映射到患者的脊柱形态上。通过调节韧带结构以复现天然脊柱的生物力学行为，进一步实现了个性化和参数化设计。通过调整BLSS的几何尺寸、节段特异性刚度以及韧带参数，以适应每个节段的解剖尺寸和功能需求，确保了生理ROM的一致性，从而实现了跨不同脊柱节段的缩放。因此，BLSS是一个完全可定制的、适用于特定患者和特定节段的脊柱植入物平台。尽管本研究侧重于通过纤维结构实现可调刚度，但基质的作用需要进一步研究。此外，本研究中的力学行为是在体外条件下进行的，无法完全复现天然韧带经历的复杂生理环境，包括水合、温度和生化相互作用。这些因素会影响韧带的力学性能和长期功能表现。因此，将在未来工作中设计基质-纤维耦合，并在生理相关的测试条件下评估其力学行为。
实验部分
仿生椎体的设计与制造
在本研究中，使用CT系统获取一名健康男性受试者的腰椎图像数据。使用Mimics和Geomagic Wrap软件重建了L3–L5节段的平滑三维模型。随后，使用CATIA生成了L3–L5椎体和天然IVD的三维物理模型。为了能与BFL集成，根据解剖形态在L3–L5椎体的韧带附着点处设计了若干孔，以利于BFL的稳定固定。最终的仿生椎体模型以.stl格式导出，并在PreForm软件中进行切片。仿生椎体使用Formlabs Form 3三维打印机进行制造，该打印机采用精密激光逐层选择性固化液态光敏聚合物树脂。优化了打印参数，包括层厚和支撑结构，以保持解剖保真度和尺寸精度。制造完成后，打印的椎体经过标准的后处理程序，包括在异丙醇中冲洗和移除支撑结构，以确保机械强度和结构稳定性。
仿生IVD的设计与制造
基于天然IVD的功能-结构特征，使用SolidWorks软件建立了仿生IVD模型。该模型由一个中央的仿生髓核（NP）和一个外围的仿生纤维环（AF）组成。仿生NP约占总横截面积的40%，由各向同性材料构成。AF设计为三层，每层包含交替的纤维层和基质层。纤维方向为45°角，基质刚度设计为从内层到外层逐渐增加。仿生IVD模型以.stp格式导出，并导入到GrabCAD Print软件中。根据设计规范分配材料属性，随后使用三维打印技术制造模型。
BFLs的拉伸测试
使用最大负载容量为30,000 N的万能试验机（UTM5504, SUNS, China）评估不同结构配置BFL的力学性能。测试在位移控制模式下进行，加载速率为2 mm/min，循环拉伸加载10个周期，当施加的力达到200 N时终止。在整个实验过程中，连续记录力-位移数据以评估BFL的力学性能。
BLSS的ROM测试
为了评估所开发BLSS的运动性能，构建了一个机器人测试平台。该平台包括一个机器人臂、BLSS、一个六轴力/扭矩传感器和连接组件。对机器人臂进行编程以施加生理性的三维脊柱运动。随后，测量BLSS的ROM，并进行比较以评估其机械功能。
BLSS的疲劳测试
参考ASTM F2346-05，在应力比R = -1下，对使用方法III组装的BLSS进行压缩-压缩疲劳测试。使用疲劳测试系统施加类似于天然IVD的400 N循环载荷的正弦波；在室温（约23°C，40%相对湿度）空气中，以1 Hz的频率进行100,000次循环。
