骨板骨釘“變形記”，這是負泊松比在“幫忙”！

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？

今天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)型有利于細胞堆積，細胞相容性較好，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。**基于拉脹結(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.*. The Fatigue Behavior and In Vivo Osseointegration of the Auxetic Porous Bone Screw. Acta Biomaterialia. 2023, DOI: 10.1016/j.actbio.2023.08.040.