2.8万字！吉林大学任露泉院士团队《Prog. Mater. Sci.》顶刊综述：全椎间盘置换植入体的结构、材料、制造和性能

下腰痛和颈部疼痛日益成为世界范围内的主要公共卫生问题。据报道，腰痛的患病率高达84%，近1/4的人口患有慢性腰痛，11-12%的人口因腰痛而致残，颈部疼痛的比例大约在30% ~ 50%之间。临床研究表明，下腰部和颈部疼痛通常与椎间盘（IVD）的退变密切相关。天然IVD由纤维环（AF）和髓核（NP）组成，其中，NP 的蛋白聚糖和水含量会因多种因素（包括老化、钙化、磨损、遗传等）而影响天然IVD 的静水压力和高度，削弱其膨胀能力并降低载荷重新分配的效率，进而导致AF承受更大的负荷，此外，异常的 IVD 还可能引发椎管狭窄、慢性脊髓受压等系列问题，最终导致下腰部或颈部疼痛，甚至残疾。因此，退行性椎间盘疾病（Degenerative disc disease，DDD）已成为全球最严重的骨骼肌肉系统疾病之一，严重影响患者的健康和生活质量，并给患者家庭和社会发展带来沉重的经济负担。

近日，吉林大学任露泉院士团队，钱志辉教授、任雷教授课题组在国际材料科学领域顶尖综述期刊《Progress in Materials Science 》（IF 37.4）上发表了题为“Total Disc Replacement Devices: Structure, Material, Fabrication, and Properties”的综述文章，全文约2.8万余字，包括5大章节（约34个小节），360余篇参考文献。吉林大学工程仿生教育部重点实验室博士研究生宋广生为论文第一作者，吉林大学工程仿生教育部重点实验室钱志辉教授和任雷教授为论文通讯作者，该研究获得国家自然科学基金面上（No. 52175270）及创新群体项目（No. 52021003）等资助。

【要点解读】

目前，治疗DDD的方式主要包括传统治疗方法，手术疗法和组织工程三种。传统治疗方法包括药物治疗和物理治疗方法等，手术治疗方法包括椎间融合术和人工全椎间盘置换术（Artificial total disc replacement, A-TDR）。针对轻症患者，主要采用传统药物治疗或物理疗法，但由于传统方法仅缓解疼痛症状且效果甚微，使得手术疗法逐渐成为患者在采用传统治疗方法而效果不理想之后的首选方式。椎间融合术具有手术简单，维持椎间高度，改善病人疼痛的特点，但椎间融合术会使椎间盘节段丧失活动范围（Range of motion, ROM）和加速邻近椎骨退行性病变。相比椎间融合术，A-TDR不仅可维持节段高度，更为重要的是能够保留节段的ROM，减缓邻近节段椎间盘加速退变的能力，从而有效解决了椎间融合术的不足，近年来在临床上逐渐得到普遍应用。尽管传统治疗或手术疗法在临床上能够有效缓解病人的疼痛，但难以从根本上解决由天然IVD退行性病变导致功能脊柱单元生物力学功能缺失的问题。最近，组织工程技术是治疗DDD的新方式，现有大量组织工程技术的研究聚焦于AF或NP的重建与再生，但分离的AF或NP不能较好地模仿天然IVD的组织结构和力学性能。因此，制备包含AF和NP天然结构的组织工程全椎间盘置换（Tissue-engineered total disc replacement, TE-TDR）植入体逐渐得到重视。

该综述首先较为系统地概述了A-TDR植入体的结构特征、材料构成、功能特点、力学性能、临床和影像学结果，进一步总结了A-TDR植入体具有的优点与面临的挑战，然后详细地阐述了TE-TDR植入体的功能特征、力学性能、与周围组织的整合性能等方面，概述了TE-TDR植入体存在的问题和科学挑战，进而提出了基于仿生学原理、多材料技术和多材料增材制造技术，并结合生物打印技术开发下一代TDR植入体，以达到类似天然IVD的生物力学功能，并允许其与生物组织整合。此外，该综述讨论了TDR植入体的应用领域和潜在的应用场景。最后，展望了TDR植入体未来的发展方向。总之，结构，材料和先进制造技术的最新进展正在扩展TDR植入体的功能特性和力学性能，为制备具有多功能和高性能的TDR植入体，尤其是其个性化定制提供了新思路。

【图文解说】

图1 L-TDR植入体

图2 C-TDR植入体

图3 TE-TDR植入体

图4 全椎间盘置换植入体的未来发展趋势

【小结】

本文较为系统地综述了目前TDR植入体结构设计、材料开发、制备技术、功能特性、力学性能和面临的科学挑战以及未来发展趋势，可能为从事TDR植入体开发的研究者提供有益启发。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101189

通讯作者：

钱志辉，吉林大学唐敖庆学者领军教授、博士生导师。现任工程仿生教育部重点实验室副主任，入选吉林省拔尖创新人才、吉林省中青年科技创新领军人才、长春市有突出贡献专家，兼任国际仿生工程学会 (ISBE)青委会秘书长、中国医学装备协会智能装备技术分会委员等职务，并任Front. Bioeng. Biotech., J. Bionic. Eng.等国际学术期刊编委。

长期从事人体科学、仿生植入器械与康复装备和仿生传感研究，先后主持国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金等国家和省部级项目16项, 在Prog. Mater. Sci., Adv. Funct. Mater.等国际学术期刊发表论文80余篇，授权国际、中国发明专利60余项，获教育部技术发明一等奖、吉林省技术发明一等奖、国际康复医学工程创新特等奖和一等奖。

任雷，英国曼彻斯特大学终身教授，国家特聘教授，教育部重大人才工程讲座教授，吉林大学唐敖庆讲座教授、仿生健康学科带头人，现任国际生物医学工程学会（BMES）理事及英国区域主席、国际仿生工程学会（ISBE）副秘书长、国际机构学与机器科学联合会（IFToMM）英国区秘书长等职务。

长期从事人体科学、仿生机器人和仿生康复机械系统研究，主持中英国家级项目30余项，在国际学术期刊发表论文300余篇，公开和授权国际、中国发明专利200余项。研究成果被Nature, Science News, BBC等国际媒体报道，在国际、中国的著名企业获得转化应用，产生了显著经济和社会效益，获国家和省部级科技奖励6项，推动了机器人、康复器械、生物医学、仿生健康等领域的关键技术突破和产学研用合作创新水平。

来源：国际仿生工程学会

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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