吉林大学第二医院王金成教授等 | 分层设计的增材制造骨整合螺钉

来源： 生物设计与制造BDM

从功能上讲，骨螺钉是将植入物或骨固定至宿主骨的设备。传统螺钉依赖螺纹进行机械固定，但它们常因骨整合不良导致远期松动。为提升骨整合效果，螺钉的设计正从实心光滑演变为多孔粗糙。增材制造技术具有高度的制造灵活性，可以按照预设计制造相应的多孔粗糙螺钉。本文分析了骨螺钉面临的主要问题：远期松动与螺钉断裂，并从亚微观、微观及宏观三个层面综述了解决方案的进展。在亚微观层面，介绍了增强骨整合的表面改性技术。在微观层面讨论了影响多孔骨整合螺钉机械及生物性能的设计参数，如孔隙率、孔径和孔结构，并特别强调了三种具有潜力的孔结构：三周期最小表面结构、负泊松比结构和仿骨小梁结构。在宏观层面则概括了通过梯度设计、渐变设计和拓扑优化设计提高多孔骨整合螺钉机械强度的策略。文章还概述了增材制造技术在提升这类螺钉机械性能方面的最新进展。采用分层设计的增材制造骨整合螺钉有望同时提供优秀的远期固定效果和所需的机械强度。

图1 分层设计的增材制造骨整合螺钉的发展趋势

图2 传统实心螺钉面临的问题及多孔螺钉的优势和目前的应用情况

图3 分层设计的增材制造骨整合螺钉的表面修饰

图4 分层设计的增材制造骨整合螺钉的孔隙率、孔径和三周期最小表面设计

图5 分层设计的增材制造骨整合螺钉的负泊松比设计和仿骨小梁设计