供稿人：李青宇 李滌塵 張安峰 發(fā)布日期：2017-06-20
在現(xiàn)代醫(yī)療中，骨折內(nèi)固定植入物對骨折部位的穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用，而骨與骨折固定植入物的剛度不匹配問題會造成應(yīng)力遮蔽效應(yīng)：即兩個(gè)彈性模量不同的材料一起受力的時(shí)候，彈性模量大的會承受較多的應(yīng)力，而植入物的彈性模量要比骨骼的大得多，所以骨骼幾乎不承擔(dān)應(yīng)力。根據(jù)沃爾夫定律：骨在需要的地方就生長，不需要的地方就吸收。即骨的生長、吸收、重建都與骨的受力狀態(tài)有關(guān)。因此骨折內(nèi)固定植入物會導(dǎo)致術(shù)后骨骼不能得到鍛煉而漸漸萎縮【1】。
圖1 應(yīng)力遮蔽后的骨骼變化
2017年5月10日，美國北德克薩斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)系通過設(shè)計(jì)“剛度梯度結(jié)構(gòu)”(組分分級)來解決所遮蔽效應(yīng)，根據(jù)仿生學(xué)原理，在骨兩端設(shè)計(jì)與骨模一致的低彈性模量的鈦合金鋼板（低模量的Ti-35Nb-15Zr(wt%)合金）;而在骨折部位處設(shè)計(jì)彈性模量較高的鈦合金鋼板（高模量的醫(yī)用純鈦）；采用增材制造中的激光工程近凈成形加工技術(shù)制造功能梯度生物醫(yī)學(xué)植入物，即分段成形骨折內(nèi)固定植入鋼板，對成形結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電子顯微鏡、X射線衍射、能譜分析檢測，將成形后的骨折內(nèi)固定植入鋼板進(jìn)行力學(xué)性能測試，檢測各梯度材料結(jié)構(gòu)處的彈性模量與硬度；最終達(dá)到使骨折內(nèi)固定植入物與骨骼在各處彈性模量一致，消除應(yīng)力遮蔽效應(yīng)【2】。
圖2 激光工程近凈成形系統(tǒng)：(a) 設(shè)備結(jié)構(gòu) (b) 激光工程近凈成形制造過程 (c)熔池中沉積與傳熱特性圖
圖3 (a) 實(shí)際沉積態(tài) (b) 分段成型的鋼板材料 (c) 最終成形骨折植入物樣件 (d) 增材部分尺寸與結(jié)構(gòu)組分 (e) EDS線掃描結(jié)構(gòu)圖
圖4 激光工程近凈成形機(jī)械力學(xué)性能：(a) 超聲測量下彈性模量 (b) 標(biāo)準(zhǔn)儀器壓痕下彈性模量 (c) 金屬硬度檢測結(jié)果