负泊松比在骨科植入器械设计方面的应用-“材料生物力学中泊松比的奥妙”系列科普图文三-

负泊松比在骨科植入器械设计方面的应用-“材料生物力学中泊松比的奥妙”系列科普图文三

科普内容

骨科植入器械是在骨科手术中使用的植入医疗器械，用于修复和替代受损骨骼治疗骨科疾病，包括：骨折修复、关节置换、脊柱修复、骨肿瘤治疗、骨缺损修复等。泊松比作为材料重要的力学参数之一，决定骨科植入器械进入体内后的变形、力学载荷传导等，进而影响植入体修复效果。那么，泊松比对植入器械有哪些影响呢？如何实现植入器械泊松比的调控？本篇科普短文就为大家讲讲骨科植入器械和泊松比对其“功能”调控的那些事儿。

常见的骨科植入器械：1. 骨板和骨钉：用于骨折修复和骨骼重建。骨板固定在骨折处，骨钉用于将骨折的碎片牢固连接在一起，促进骨的愈合；2. 关节植入物：包括人工髋关节、人工膝关节和其他关节植入物，用于关节置换手术，以减轻关节疼痛和改善关节功能；3. 骨移植物和骨替代物：用于骨缺损修复，包括人工骨替代物、自体骨移植、异体骨移植等，以促进骨愈合和再生；4. 脊柱植入物：用于脊椎手术，包括椎体融合植入物、椎弓根螺钉等，用于治疗脊椎问题和脊柱畸形。

目前临床中的问题：1. 植入器械断裂：一些骨科植入器械可能随着时间的推移会发生腐蚀或疲劳破坏。特别是对于年轻的患者或需要长期植入的情况，这可能会导致植入物的断裂损坏、功能失效；2. 不良骨愈合：尽管植入器械可以提供稳定性，但其作为异物在与骨组织接触时，可能会影响骨组织重建、造成不良骨愈合或骨不连；3. 骨吸收：骨科植入器械植入到体内后，其与骨组织的生物相容性、力学适配性等问题可能会导致骨吸收，影响植入器械的稳定性和功能性。

“拉胀结构”在骨科植入器械中有哪些潜在应用优势？拉胀结构的剪切强度、抗冲击性能、断裂韧性和压痕阻力以及抵抗裂纹扩展能力都优于普通多孔结构，其褶皱内凹的构型有利于细胞堆积，细胞相容性较好，使其在植入体中有广泛的应用前景[1]。例如，①在骨钉中引入拉胀结构，可以使骨钉在拔出力作用下发生膨胀变形，可有效抑制骨钉脱出，增强固定效果；②在髋关节假体股骨柄中引入拉胀结构可以调控股骨柄在载荷作用下的变形，改善对股骨柄周围骨组织的力学传递，刺激骨整合，提供假体稳定性；③在椎间融合器/人工椎体中引入拉胀结构，使其在压缩载荷作用下发生收缩变形，避免对周围脊髓神经的损伤，提高治疗效果。

让我们来看看怎么设计“拉胀”骨钉。基于拉胀结构独特的变形方式，将其引入到骨钉钉体的设计中，使骨钉在人体日常活动中受到具有拔出倾向力的作用时，钉体会发生膨胀变形，使得骨钉和骨组织紧密贴合，赋予骨钉抵抗拔出功能[2]。在临床使用中，可根据患者手术部位骨质情况与手术规划进行拉胀骨钉的个性化设计[3]，并通过增材制造工艺进行拉胀骨钉的精确制造，使患者获得更佳的治疗效果[4]。

作品来源

本作品是在中国科协生物力学科学传播专家团队、中国生物材料学会生物力学科学传播团队樊瑜波教授、王丽珍教授指导下完成。

作者：姚艳、石烟祝、于佳玉、杨鑫怡、黄慧雯

支持单位：北京市生物医学工程高精尖创新中心科普教育基地、中国生物材料学会材料生物力学分会

资助

本作品由中国生物材料学会精品科普项目资助

参考文献：

[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.