可吸收骨内固定植入体降解与内固定结构应力变化的相互作用研究

Biodegradable bone internal fixation implants are more and more popular than metal implants for its no stress shielding and removal nowadays. But its’ degradation behavior often leads to the decreasing of strength rapidly or collapse of fixation implants even to the failure of implants, which has become one of the most important bottlenecks for its clinical application. It was found that stress has an obvious effect on the degradation rate of absorbable materials in our previous studies. So, we propose the hypothesis that stress distribution of implants would be varied in the process of degradation. Meanwhile, stress variation would affect degradation of implants in vivo. Therefore, it is urgent to study on the interaction of degradation and stress variation of absorbable implants for internal fixation implants quantitatively. In this project, numerical simulations, experiments in vitro and animal experiments will be involved in to verify the hypothesis and study quantitatively on the interaction of degradation and stress variation of absorbable plates/screws for internal fixation implants. It would be useful for configuration optimization of absorbable plates/screws and operation scheme.

可吸收骨内固定植入体由于避免了金属植入体常见的应力遮挡及无需二次手术取出等优点已成为内固定植入体的发展方向。但其植入体内后降解行为常导致其力学强度迅速降低使内固定结构坍塌而导致骨固定失败，这已成为制约其临床应用的瓶颈之一。本课题组前期发现应力对可吸收材料的降解速率有显著影响，由此可推断可吸收内固定植入体在体内降解过程中，伴随植入体力学特性的变化，内固定结构应力分布会发生变化，而应力变化反过来又会影响植入体的降解过程。内固定植入体降解过程与内固定结构应力变化间相互作用规律及其定量化模拟急待研究。本项目拟选择可吸收内固定骨钉和骨板为研究对象，采用数值模拟、体外受控实验和动物实验方法开展植入体降解过程中内固定结构应力分布变化与植入体降解相互影响的定量化研究。本研究对于可吸收骨固定植入体构型设计及手术方案优化具有重要意义。

传统的骨折内固定植入体由惰性金属或陶瓷等不可吸收材料制成，存在应力遮挡、有毒离子析出和需要二次手术取出等诸多弊端。可吸收骨内固定植入体在完成治疗作用后可完全降解并被人体吸收和代谢，避免了传统植入体的弊端，成为近年来的研究热点和未来发展方向。但可吸收植入体由于降解程度的提高其力学强度迅速降低，易导致结构坍塌而造成骨固定失败，这已成为制约其临床应用的瓶颈之一。本课题组前期发现应力对可吸收材料的降解速率有显著影响，由此可推断可吸收内固定植入体在体内降解过程中，伴随植入体力学特性的变化，内固定结构应力分布会发生变化，而应力变化反过来又会影响植入体的降解过程。内固定植入体降解过程与内固定结构应力变化间相互作用规律及其定量化模拟急待研究。本课题具体研究内容包括：1）不同应力作用下可吸收材料降解规律的研究；2）利用连续损伤力学理论与有限元模拟相结合的方法建立可吸收材料降解的数学模型；3）通过动物实验与数值仿真定量化研究不同构型的植入体在体内降解过程中的力学结构强度与降解规律的相互关系；4）基于3D打印的拉胀结构骨科植入体研究。本课题主要结论如下：1）拉应力和流体剪切应力可以加速聚乳酸基和镁基材料的降解速率，引起不均匀降解。2）基于实验结果的可吸收材料降解数学模型可使可吸收植入体降解过程的有限元模拟更加准确，并可以用于可吸收植入体的构形优化设计。3）镁基骨钉促进骨再生和新生骨的力学性能，能够承受运动产生的动态载荷。4）骨钉钉体设计中引入拉胀结构，可以实现拉胀骨钉的设计，并改善骨钉抗拔性能。拉胀结构的组织工程支架具有较高的渗透率，内部流场分布均匀，利于营养物质和氧气向支架内部运输。本课题不仅具有重要的科学理论意义，同时对可吸收骨折内固定植入体的设计研发具有理论指导。