吉林大學(xué)第二醫(yī)院王金成教授等 | 分層設(shè)計(jì)的增材制造骨整合螺釘

來(lái)源： 生物設(shè)計(jì)與制造BDM

從功能上講，骨螺釘是將植入物或骨固定至宿主骨的設(shè)備。傳統(tǒng)螺釘依賴螺紋進(jìn)行機(jī)械固定，但它們常因骨整合不良導(dǎo)致遠(yuǎn)期松動(dòng)。為提升骨整合效果，螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)正從實(shí)心光滑演變?yōu)槎嗫状植?。增材制造技術(shù)具有高度的制造靈活性，可以按照預(yù)設(shè)計(jì)制造相應(yīng)的多孔粗糙螺釘。本文分析了骨螺釘面臨的主要問(wèn)題：遠(yuǎn)期松動(dòng)與螺釘斷裂，并從亞微觀、微觀及宏觀三個(gè)層面綜述了解決方案的進(jìn)展。在亞微觀層面，介紹了增強(qiáng)骨整合的表面改性技術(shù)。在微觀層面討論了影響多孔骨整合螺釘機(jī)械及生物性能的設(shè)計(jì)參數(shù)，如孔隙率、孔徑和孔結(jié)構(gòu)，并特別強(qiáng)調(diào)了三種具有潛力的孔結(jié)構(gòu)：三周期最小表面結(jié)構(gòu)、負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)和仿骨小梁結(jié)構(gòu)。在宏觀層面則概括了通過(guò)梯度設(shè)計(jì)、漸變?cè)O(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)提高多孔骨整合螺釘機(jī)械強(qiáng)度的策略。文章還概述了增材制造技術(shù)在提升這類螺釘機(jī)械性能方面的最新進(jìn)展。采用分層設(shè)計(jì)的增材制造骨整合螺釘有望同時(shí)提供優(yōu)秀的遠(yuǎn)期固定效果和所需的機(jī)械強(qiáng)度。

圖1 分層設(shè)計(jì)的增材制造骨整合螺釘?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)

圖2 傳統(tǒng)實(shí)心螺釘面臨的問(wèn)題及多孔螺釘?shù)膬?yōu)勢(shì)和目前的應(yīng)用情況

圖3 分層設(shè)計(jì)的增材制造骨整合螺釘?shù)谋砻嫘揎?/div>

圖4 分層設(shè)計(jì)的增材制造骨整合螺釘?shù)目紫堵?、孔徑和三周期最小表面設(shè)計(jì)

圖5 分層設(shè)計(jì)的增材制造骨整合螺釘?shù)呢?fù)泊松比設(shè)計(jì)和仿骨小梁設(shè)計(jì)