負(fù)泊松比在骨科植入器械設(shè)計方面的應(yīng)用-“材料生物力學(xué)中泊松比的奧妙”系列科普圖文三

負(fù)泊松比在骨科植入器械設(shè)計方面的應(yīng)用-“材料生物力學(xué)中泊松比的奧妙”系列科普圖文三

科普內(nèi)容

骨科植入器械是在骨科手術(shù)中使用的植入醫(yī)療器械，用于修復(fù)和替代受損骨骼治療骨科疾病，包括：骨折修復(fù)、關(guān)節(jié)置換、脊柱修復(fù)、骨腫瘤治療、骨缺損修復(fù)等。泊松比作為材料重要的力學(xué)參數(shù)之一，決定骨科植入器械進入體內(nèi)后的變形、力學(xué)載荷傳導(dǎo)等，進而影響植入體修復(fù)效果。那么，泊松比對植入器械有哪些影響呢？如何實現(xiàn)植入器械泊松比的調(diào)控？本篇科普短文就為大家講講骨科植入器械和泊松比對其“功能”調(diào)控的那些事兒。

常見的骨科植入器械：1. 骨板和骨釘：用于骨折修復(fù)和骨骼重建。骨板固定在骨折處，骨釘用于將骨折的碎片牢固連接在一起，促進骨的愈合；2. 關(guān)節(jié)植入物：包括人工髖關(guān)節(jié)、人工膝關(guān)節(jié)和其他關(guān)節(jié)植入物，用于關(guān)節(jié)置換手術(shù)，以減輕關(guān)節(jié)疼痛和改善關(guān)節(jié)功能；3. 骨移植物和骨替代物：用于骨缺損修復(fù)，包括人工骨替代物、自體骨移植、異體骨移植等，以促進骨愈合和再生；4. 脊柱植入物：用于脊椎手術(shù)，包括椎體融合植入物、椎弓根螺釘?shù)龋糜谥委熂棺祮栴}和脊柱畸形。

目前臨床中的問題：1. 植入器械斷裂：一些骨科植入器械可能隨著時間的推移會發(fā)生腐蝕或疲勞破壞。特別是對于年輕的患者或需要長期植入的情況，這可能會導(dǎo)致植入物的斷裂損壞、功能失效；2. 不良骨愈合：盡管植入器械可以提供穩(wěn)定性，但其作為異物在與骨組織接觸時，可能會影響骨組織重建、造成不良骨愈合或骨不連；3. 骨吸收：骨科植入器械植入到體內(nèi)后，其與骨組織的生物相容性、力學(xué)適配性等問題可能會導(dǎo)致骨吸收，影響植入器械的穩(wěn)定性和功能性。

“拉脹結(jié)構(gòu)”在骨科植入器械中有哪些潛在應(yīng)用優(yōu)勢？拉脹結(jié)構(gòu)的剪切強度、抗沖擊性能、斷裂韌性和壓痕阻力以及抵抗裂紋擴展能力都優(yōu)于普通多孔結(jié)構(gòu)，其褶皺內(nèi)凹的構(gòu)型有利于細(xì)胞堆積，細(xì)胞相容性較好，使其在植入體中有廣泛的應(yīng)用前景[1]。例如，①在骨釘中引入拉脹結(jié)構(gòu)，可以使骨釘在拔出力作用下發(fā)生膨脹變形，可有效抑制骨釘脫出，增強固定效果；②在髖關(guān)節(jié)假體股骨柄中引入拉脹結(jié)構(gòu)可以調(diào)控股骨柄在載荷作用下的變形，改善對股骨柄周圍骨組織的力學(xué)傳遞，刺激骨整合，提供假體穩(wěn)定性；③在椎間融合器/人工椎體中引入拉脹結(jié)構(gòu)，使其在壓縮載荷作用下發(fā)生收縮變形，避免對周圍脊髓神經(jīng)的損傷，提高治療效果。

讓我們來看看怎么設(shè)計“拉脹”骨釘?；诶浗Y(jié)構(gòu)獨特的變形方式，將其引入到骨釘釘體的設(shè)計中，使骨釘在人體日?；顒又惺艿骄哂邪纬鰞A向力的作用時，釘體會發(fā)生膨脹變形，使得骨釘和骨組織緊密貼合，賦予骨釘?shù)挚拱纬龉δ躘2]。在臨床使用中，可根據(jù)患者手術(shù)部位骨質(zhì)情況與手術(shù)規(guī)劃進行拉脹骨釘?shù)膫€性化設(shè)計[3]，并通過增材制造工藝進行拉脹骨釘?shù)木_制造，使患者獲得更佳的治療效果[4]。

作品來源

本作品是在中國科協(xié)生物力學(xué)科學(xué)傳播專家團隊、中國生物材料學(xué)會生物力學(xué)科學(xué)傳播團隊樊瑜波教授、王麗珍教授指導(dǎo)下完成。

作者：姚艷、石煙祝、于佳玉、楊鑫怡、黃慧雯

支持單位：北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心科普教育基地、中國生物材料學(xué)會材料生物力學(xué)分會

資助

本作品由中國生物材料學(xué)會精品科普項目資助

參考文獻：

[1] Yao Y., Park J.H., Wang L.Z., Geng X.Z., Liu J.L., Xu P., Huang H.W., Hollister S., Fan Y.B.. Design, Fabrication and Mechanical Properties of A 3D Re-entrant Metastructure. Composite Structures. 2023, 314:116963

[2] Yao Y., Wang L.Z., Li J., Tian S., Zhang M., Fan Y.B.. A Novel Auxetic Structure Based Bone Screw Design: Tensile Mechanical Characterization and Pullout Fixation Strength Evaluation. Materials & Design, 2020, 108424.

[3] Yao Y., Yuan H., Huang H.W., Liu J.L., Wang L.Z., Fan Y.B. Biomechanical Design and Analysis of Auxetic Pedicle Screw to Resist Loosening. Computers in Biology and Medicine, 2021, 133: 104386.

[4] Wang L.Z., Huang H.W., Yuan H., Yao Y., Park J.H., Liu J.L., Geng X.Z., Zhang K., Hollister S., Fan Y.B.. In vitro fatigue behavior and in vivo osseointegration of the auxetic porous bone screw. Acta Biomaterialia. 2023, 170: 185-201.