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激光工程近净成形制备功能梯度骨折内固定植入物

激光工程近净成形制备功能梯度骨折内固定植入物

供稿人:李青宇 李涤尘 张安峰   发布日期:2017-06-20
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在现代医疗中,骨折内固定植入物对骨折部位的稳定性有着至关重要的作用,而骨与骨折固定植入物的刚度不匹配问题会造成应力遮蔽效应:即两个弹性模量不同的材料一起受力的时候,弹性模量大的会承受较多的应力,而植入物的弹性模量要比骨骼的大得多,所以骨骼几乎不承担应力。根据沃尔夫定律:骨在需要的地方就生长,不需要的地方就吸收。即骨的生长、吸收、重建都与骨的受力状态有关。因此骨折内固定植入物会导致术后骨骼不能得到锻炼而渐渐萎缩【1】。

图1 应力遮蔽后的骨骼变化

2017年5月10日,美国北德克萨斯大学材料科学与工程学系通过设计“刚度梯度结构”(组分分级)来解决所遮蔽效应,根据仿生学原理,在骨两端设计与骨模一致的低弹性模量的钛合金钢板(低模量的Ti-35Nb-15Zr(wt%)合金);而在骨折部位处设计弹性模量较高的钛合金钢板(高模量的医用纯钛);采用增材制造中的激光工程近净成形加工技术制造功能梯度生物医学植入物,即分段成形骨折内固定植入钢板,对成形结构进行扫描电子显微镜、X射线衍射、能谱分析检测,将成形后的骨折内固定植入钢板进行力学性能测试,检测各梯度材料结构处的弹性模量与硬度;最终达到使骨折内固定植入物与骨骼在各处弹性模量一致,消除应力遮蔽效应【2】。

图2 激光工程近净成形系统:(a) 设备结构 (b) 激光工程近净成形制造过程 (c)熔池中沉积与传热特性图
图3 (a) 实际沉积态 (b) 分段成型的钢板材料 (c) 最终成形骨折植入物样件 (d) 增材部分尺寸与结构组分 (e) EDS线扫描结构图
图4 激光工程近净成形机械力学性能:(a) 超声测量下弹性模量 (b) 标准仪器压痕下弹性模量 (c) 金属硬度检测结果

参考文献:

  1. http://weibo.com/p/2304184c4923290102w4iq
  2. D.D. Limaa, S.A. Mantria, et al. Laser additive processing of a functionally graded internal fracture fixation plate. Materials & Design. 2017.