《Acta Biomaterialia》发表北航医工学科研究成果---拉胀多孔结构抗拔出骨钉疲劳性能及在体骨整合性能研究

临床上因骨钉-骨固定的稳定性不足导致骨钉松动、移位、甚至脱出的发生率较高。为了解决这一问题，北京航空航天大学樊瑜波教授/王丽珍教授团队前期探索了拉胀单元设计参数对其力学性能的调控规律、设计了基于拉胀单元设计的多孔抗拔出骨钉，分析了其内部传质过程（Materials & Design, 2019, 188: 108424；Composite Structures, 2023, 314:116963），发现负泊松比变形可提高植入后骨钉-骨即刻稳定性。然而，拉胀骨钉植入后抗疲劳特性和在体稳定性对于临床应用至关重要。在上述研究基础上，团队进一步探索了拉胀多孔骨钉的疲劳行为及在体骨整合性能。该研究于9月2日发表于生物材料领域权威期刊《Acta Biomaterialia》（IF=9.7）在线发表了题为“In vitro fatigue behavior and in vivo osseointegration of the auxetic porous bone screw”的研究工作。首次研究了基于内凹型单元设计的钛合金拉胀多孔骨钉的拉-拉疲劳行为和在体骨整合性能。通过疲劳试验、断裂分析和数值模拟对比研究了相同孔隙率（51%）的拉胀多孔骨钉与非拉胀多孔骨钉的拉-拉疲劳行为；基于动物实验和生物力学性能分析对比了两种微结构设计的骨钉在体骨整合性能及在体动态拉伸载荷下骨整合性能差异。

图1 研究工作概述

拉胀多孔骨钉的疲劳强度比非拉胀多孔骨钉低约43%，但其骨整合性能优于非拉胀多孔骨钉。在体内动态拉伸载荷下，拉胀多孔骨钉和非拉胀多孔骨钉的骨整合性均有显著改善，最大增幅约为15%。拉胀多孔骨钉良好的骨整合性能可以弥补其抗疲劳能力的不足，保证其在体内的长期稳定性。拉胀多孔骨钉所具有的拉胀变形特性和长期稳定性，将能够确保其植入后骨钉-骨固定的稳定性，克服实心骨钉不足、提高手术的成功率，在骨科手术中具有重要的临床应用前景。同时，本研究的结果也将为拉胀多孔骨钉的设计优化和临床应用提供更完备的理论性指导。

图2 相同孔隙率（51%）的拉胀多孔骨钉与非拉胀多孔骨钉静态力学性能与抗疲劳性能比较

图3 无加载/动态拉伸加载条件下拉胀多孔骨钉和非拉胀多孔骨钉骨整合性能组织学和生物力学性能分析

该论文通讯作者为北京航空航天大学生物与医学工程学院樊瑜波教授，第一作者为北京航空航天大学生物与医学工程学院王丽珍教授及博士生黄慧雯；研究受国家自然科学基金项目（Nos. 12172034, U20A20390）等资助。

文章来源：https://authors.elsevier.com/sd/article/S1742-7061(23)00504-4