丁曉紅， 徐世鵬， 段朋云， 張 橫， 熊 敏

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

骨折的治療一般需要根據(jù)骨折類型、軟組織條件和患者意愿等因素選擇固定方式[1]。固定方式有外固定和內(nèi)固定兩種，常見的外固定裝置包括夾板、石膏繃帶及外固定器等，內(nèi)固定植入物主要有接骨板、螺釘、髓內(nèi)針和環(huán)抱器等。近幾十年來，骨折內(nèi)固定技術(shù)在固定理論、固定原則、植入物設(shè)計和植入方法等方面不斷發(fā)展創(chuàng)新。通過建立準(zhǔn)確的復(fù)位、提供穩(wěn)定的固定，并盡可能保留骨的血運，進而取得良好的臨床治療效果，這已經(jīng)成為主要的骨折治療手段[2]，而接骨板是實際臨床中最為常用的內(nèi)固定植入物[3]。

骨折固定后，斷骨、接骨板及相關(guān)的固定輔助物形成了復(fù)雜的生物力學(xué)系統(tǒng)，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在：隨著愈合時間的推進，骨斷端的骨痂逐步經(jīng)歷了軟骨痂、硬骨痂到最終成骨的各階段，斷骨的剛度變化和時間呈強非線性關(guān)系，而由于骨折愈合需要在合理的生物力學(xué)刺激下才能完成，生物力學(xué)刺激的產(chǎn)生又與斷骨剛度、內(nèi)固定植入物剛度和固定形式等因素密切相關(guān)。這種隨時間歷程而變化的由多種不同性質(zhì)材料構(gòu)成的多構(gòu)件間復(fù)雜耦合的非線性關(guān)系，使得如何對接骨板進行設(shè)計，使之與斷骨形成的內(nèi)固定系統(tǒng)在骨折的不同愈合階段均能產(chǎn)生合理的力學(xué)環(huán)境，從而促進骨愈合，成為難題。

接骨板結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理最終體現(xiàn)在骨愈合的效果之上，基于這種輸出導(dǎo)向的研究思路，本文從骨折愈合效果涉及的基本問題出發(fā)，對骨折復(fù)位穩(wěn)定性、骨愈合和骨重塑效果的評估分析方法進行綜述和分析，提出接骨板結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計要求；然后，從設(shè)計因素的角度對已有的接骨板結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計方法進行分析和總結(jié)；最后分析現(xiàn)有接骨板設(shè)計中存在的問題并展望其未來的發(fā)展方向，為能夠進一步滿足骨折愈合需求的接骨板結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 接骨板的性能及其評估方法

骨折愈合是一個復(fù)雜的生物過程，常見的二期愈合形式一般包括炎癥、軟骨痂形成、硬骨痂形成和骨重塑4 個階段[4]?；诠钦塾系奶卣鳎庸前逍枰诠潭ǔ跗跒閿喙翘峁┳銐虻墓潭ǚ€(wěn)定性，而在骨痂形成和骨重塑的過程中，接骨板又需要保證斷骨能夠產(chǎn)生合理的力學(xué)刺激，因此需要對其性能進行分析和評估，以指導(dǎo)接骨板的設(shè)計優(yōu)化。一般的分析和評估方法包括數(shù)值仿真、體外實驗、動物實驗和臨床實驗，不同方法的評估內(nèi)容和特點如表1 所示。數(shù)值仿真一般采用有限元方法建立力學(xué)模型，不僅能夠?qū)庸前宓牧W(xué)性能、斷骨-接骨板系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性進行評估，還能夠模擬骨折的愈合過程，具有評估速度快、成本低的特點[5]，但評估的準(zhǔn)確性需要進一步確認(rèn)。體外實驗僅能對接骨板力學(xué)性能和斷骨-接骨板系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性進行測試，無法直接研究接骨板對骨折愈合效果的影響，并且實驗中常使用人造骨或動物骨，其材料特性與真實骨骼存在差異[6]，實驗環(huán)境和真實情況也有較大的不同。動物實驗?zāi)軌驅(qū)庸前宓纳锵嗳菪砸约肮钦塾闲ЧM行評估，但要考慮動物的可獲得性、實驗成本、社會的接受程度及是否具有與人體相似的生物學(xué)特性等問題[7]。臨床試驗通過人體病例觀察骨折愈合效果，是最直觀、最有效的評估方法，但是臨床癥狀個體差別較大，并且隨訪時間較長[8]。

表1 常見評估方法Tab.1 General evaluation methods

接骨板的初期設(shè)計階段一般以數(shù)值仿真和體外實驗為主，動物實驗和臨床試驗適用于對接骨板的最終評估與驗證。隨著生物力學(xué)、計算科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，數(shù)值仿真因其快速且成本低的優(yōu)點，成為接骨板設(shè)計階段最為重要的評估方法。下面對接骨板及斷骨-接骨板系統(tǒng)的力學(xué)性能，以及骨愈合和骨重塑效果兩類性能的分析和評估方法進行詳細(xì)的綜述。

1.1 接骨板固定穩(wěn)定性分析和評估

治療骨折時，接骨板必須起到對斷骨固定復(fù)位的作用，因此，斷骨-接骨板系統(tǒng)的固定穩(wěn)定性是重要的設(shè)計指標(biāo)。最簡單的方法是分析在正常和危險載荷作用下接骨板上產(chǎn)生的應(yīng)力，通過判斷接骨板上最大應(yīng)力是否小于所用材料的許用應(yīng)力，確定接骨板的強度安全性[9]。但是僅對接骨板的強度安全性進行評估，很難保證能夠在骨斷端產(chǎn)生骨愈合所需的生物力學(xué)刺激，因此需要選用更合理的評價指標(biāo)來評價斷骨-接骨板系統(tǒng)的固定穩(wěn)定性。一般情況下，除了分析系統(tǒng)的整體應(yīng)力分布[10]之外，還需要分析評估一些特殊位置的力學(xué)特征，如骨折斷面徑向中心線應(yīng)力分布[11]、骨與接骨板接觸面應(yīng)力分布[12]、骨痂應(yīng)力或應(yīng)變分布[13]和骨斷端間隙大小[14]等。以長骨骨折為例來進行說明，如圖1 所示。其中，圖1(a)為斷骨-接骨板固定系統(tǒng)的簡化示意圖，圖1(b)中線段AC是骨折斷面徑向中心線，AB段和BC段上應(yīng)力的大小能夠分別反映接骨板和斷骨各自的受力情況，通過AB段和BC段上應(yīng)力的對比能夠分析接骨板和斷骨的應(yīng)力分流情況[11]。骨痂的應(yīng)力或應(yīng)變分布能夠顯示出骨痂上所產(chǎn)生力學(xué)刺激的大致趨勢，通過提取徑向線段BC和圓周弧線BC的應(yīng)力或應(yīng)變，能夠?qū)丘枭袭a(chǎn)生的力學(xué)刺激進行量化和直觀的描述[13]。圖1(c)中線段DE是骨與接骨板接觸面中心線，通過線段DE的應(yīng)力分布能夠判斷接骨板是否對骨骼造成傷害，固定處血運情況是否良好[12]。t為骨斷端間隙大小，通過分析在載荷作用下t的大小變化，能夠量化骨痂被壓縮的程度，進而評估固定穩(wěn)定性和骨痂所受到的力學(xué)刺激[14]。

圖1 斷骨-接骨板系統(tǒng)簡化模型Fig.1 Simplified model of bone-bone plate system

1.2 骨折愈合過程模擬

為了能夠使接骨板的設(shè)計更加符合骨折愈合的生物力學(xué)需求，通過模擬骨折的愈合過程，評估接骨板的設(shè)計對骨折愈合效果的影響。根據(jù)是否考慮生物學(xué)因素，骨愈合模型可以分為生物力學(xué)調(diào)節(jié)模型和生物力學(xué)-生物學(xué)調(diào)節(jié)模型兩大類，其主要發(fā)展歷程如圖2 所示。

圖2 骨折愈合模擬數(shù)學(xué)模型發(fā)展歷程Fig.2 Development history of fracture healing simulation model

1960 年，Pauwel 等[15]建立了第一個數(shù)學(xué)理論框架，描述了骨折愈傷組織在力學(xué)刺激調(diào)節(jié)作用下的分化，認(rèn)為剪切應(yīng)變和靜水壓力刺激了間充質(zhì)干細(xì)胞的分化。該理論建立在臨床觀察基礎(chǔ)之上，無法詳細(xì)測量剪切應(yīng)變和靜水壓力的大小，未指出促進骨痂生長的具體刺激。1980 年，Perren等[16]提出了骨折斷端間應(yīng)變的概念，認(rèn)為骨折斷端間應(yīng)變在2%～10% 之間時能夠刺激生成軟骨，提供了一種評估骨折治療策略的方法，但其忽略了愈傷組織受到的徑向壓力和環(huán)向剪切力，并且無法預(yù)測連續(xù)的骨折愈合過程。Carter 等[17]建立了二維有限元模型，通過計算愈合早期愈傷組織在不同載荷條件下的應(yīng)力分布，制定了預(yù)測組織分化的理論框架，認(rèn)為流體靜應(yīng)力和主應(yīng)變對骨折處血運重建和組織分化起到重要作用。以上模型僅研究了不同力學(xué)因素對愈傷組織生長的刺激作用，并未對促進不同愈傷組織生長的具體力學(xué)刺激的閾值進行測定。Claes 等[18]將動物實驗和細(xì)胞培養(yǎng)研究與有限元分析相結(jié)合，量化了刺激不同組織分化的力學(xué)刺激區(qū)間，圖3 是以靜水壓力和八面體剪應(yīng)變?yōu)榱W(xué)刺激的模擬模型的示意圖，當(dāng)靜水壓力處于-0.15～0.15 MPa 之間，且八面體剪應(yīng)變處于-5%～5%之間時能夠刺激膜內(nèi)成骨，當(dāng)靜水壓力小于-0.15 MPa，且八面體剪應(yīng)變處于-15%～15%時能夠刺激軟骨骨化，當(dāng)兩值處于上述范圍之外時能夠促進結(jié)締組織或纖維軟骨的形成[18]。

圖3 以靜水壓力和八面體剪應(yīng)變?yōu)榱W(xué)刺激的模擬模型[18]Fig. 3 Simulation model with hydrostatic pressure and octahedral shear strain as mechanical stimulation[18]

生物力學(xué)調(diào)節(jié)模型主要研究了不同力學(xué)指標(biāo)對骨折愈合的影響，并未考慮生物學(xué)因素，為了能夠模擬更加真實的骨折愈合過程，相關(guān)學(xué)者建立了同時考慮生物力學(xué)和生物學(xué)因素的骨折愈合模擬模型。在模型中可考慮的生物學(xué)因素主要有細(xì)胞活性和血管重建，其中細(xì)胞活性主要表現(xiàn)為細(xì)胞的遷移、分化與增殖。Huiskes 等[19]在有限元模型中以擴散方程的方式考慮了間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移，模擬了基于時間歷程的骨折愈合過程，圖4是以八面體剪應(yīng)變和流體速度為力學(xué)刺激的模擬模型的示意圖，當(dāng)剪切應(yīng)變大于11.25%且流速大于9 μm/s時刺激纖維組織的生成，當(dāng)剪切應(yīng)變在3.75%～11.25% 之間且流速在3～9 μm/s之間時刺激軟骨的形成，當(dāng)剪切應(yīng)變在0.04%～3.75%之間且流速在0.03～3 μm/s之間時刺激軟骨骨化，剪切應(yīng)變小于0.04% 且流速小于0.03 μm/s時愈傷組織被吸收[19]。隨后，Perez 等[20]使用隨機游走模型模擬間充質(zhì)干細(xì)胞的擴散，與擴散方程相比，隨機游走模型可以產(chǎn)生不同的組織分布狀態(tài)。Kelly等[21]建立同時考慮細(xì)胞遷移、分化和凋亡的預(yù)測模型，使模擬過程更加真實。上述研究中使用的有限元模型均不相同，無法對不同模型的模擬效果進行直接對比。2006 年， Isaksson 等[22]使用相同的有限元模型，對基于不同力學(xué)指標(biāo)的模型進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)不同模型都能夠正確地模擬骨折愈合過程，預(yù)測結(jié)果存在一些不明顯的差異。進一步研究發(fā)現(xiàn)，僅使用偏應(yīng)變作為力學(xué)刺激的模型即能夠準(zhǔn)確模擬正常的骨折愈合過程，并通過動物實驗對該結(jié)果進行了驗證[23]。圖5 為以偏應(yīng)變?yōu)榱W(xué)刺激的模擬模型的示意圖，當(dāng)偏應(yīng)變大于5%時刺激纖維組織的生成，在2.5%～5%之間時刺激軟骨的生成，在0.05%～2.5% 之間時促使軟骨骨化，在0.005%～0.05%之間時利于半成熟骨的生成，小于0.005% 時愈傷組織被吸收[22]。除細(xì)胞活性之外，骨折處血運的重建是影響骨折愈合的另一個重要因素。Shefelbine 等[24]采用模糊邏輯原則，建立了考慮骨折處血運重建的預(yù)測模型。Chen 等[25]把血運重建分為血管生長和營養(yǎng)供給兩個獨立的過程，利用擴散分析將血運重建過程與組織分化的模糊邏輯原則相結(jié)合。Simon 等[26]將血運重建作為時空變量引入到動態(tài)模型中，研究了骨折愈合過程中力學(xué)穩(wěn)定性、血運重建和組織分化之間的相互作用關(guān)系。Checa 等[27]將血運的重建作為受力學(xué)刺激調(diào)節(jié)的隨機過程進行建模，其中血運的重建包括血管生長、分支和接合。

圖4 以八面體剪應(yīng)變和流體速度為力學(xué)刺激的模擬模型[19]Fig. 4 Simulation model with octahedral shear strain and fluid velocity as mechanical stimulation[19]

圖5 以偏應(yīng)變?yōu)榱W(xué)刺激的模擬模型[22]Fig. 5 Simulation model with deviatoric strain as mechanical stimulation[22]

骨愈合數(shù)學(xué)模型從最初的僅基于生物力學(xué)的理論框架發(fā)展到考慮生物力學(xué)刺激、細(xì)胞活性和血運重建的生物力學(xué)-生物學(xué)數(shù)學(xué)模型，能夠模擬骨痂的形成過程。基于骨愈合數(shù)學(xué)模型的評估方法能夠使接骨板的設(shè)計更加滿足骨痂生長階段的生物力學(xué)需求。

1.3 骨重塑過程模擬

骨痂形成之后需要經(jīng)過骨重塑才能恢復(fù)到健康骨骼的狀態(tài)，因此需要建立骨重塑數(shù)學(xué)模型描述生物力學(xué)刺激對骨重塑過程的影響。應(yīng)變能密度（strain energy density, SED）被廣泛用作骨重塑數(shù)學(xué)模型中的力學(xué)刺激[28]，Weinans 等[29]以SED作為力學(xué)刺激建立了式（1）所示的骨重建數(shù)學(xué)模型

式中： ρ為骨密度；t為時間；常數(shù)B表示骨重建速率；U為應(yīng) 變能 密 度； θ1和 θ2為力 學(xué)刺 激的 閾值；常數(shù)s為惰性區(qū)的寬度；k為相關(guān)參考值。

Li等[30]通過在式（1）的數(shù)學(xué)模型中添加二次項來解釋過載情況對骨重塑的影響，骨密度變化率與力學(xué)刺激之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如式（2）所示。

式中，D為與過載的力學(xué)刺激相關(guān)的常數(shù)。

圖6(b)為式（2）的曲線描述，當(dāng)力學(xué)刺激過大時，骨密度變化率為負(fù)，表示過載情況下發(fā)生了骨吸收[30]。

Rungsiyakull 等[31]在式（1）和（2）的基礎(chǔ)上，同時考慮惰性區(qū)間和過載情況，建立了式（5）所示的的自適應(yīng)骨重塑數(shù)學(xué)模型。

圖6(c)為式（3）的曲線描述，當(dāng)力學(xué)刺激過小或過大時骨痂被吸收，當(dāng)力學(xué)刺激處于惰性區(qū)間時骨痂保持現(xiàn)狀，只有力學(xué)刺激處于合適區(qū)間時骨重塑才能順利進行[31]。

圖6 骨重塑模擬模型Fig.6 Simulation model of fracture healing

骨重塑數(shù)學(xué)模型能夠模擬骨痂從成熟骨到皮質(zhì)骨的重塑過程，可以直觀地體現(xiàn)出力學(xué)刺激對骨重塑過程和結(jié)果的影響，以骨重塑數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的評估方法能夠為接骨板的設(shè)計提供重要的生物力學(xué)參考價值。目前，多數(shù)研究采用式（3）的自適應(yīng)骨重塑模型[32]，Wu 等[33]利用該模型對下頜骨接骨板進行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。

雖然目前針對骨愈合和骨重塑數(shù)學(xué)模型的研究都已經(jīng)相對成熟，并且也分別作為評估方法應(yīng)用于接骨板的設(shè)計。但是，骨折的愈合是一個連續(xù)的過程，目前尚未有學(xué)者將骨愈合模型和骨重塑模型進行有效結(jié)合，來模擬骨痂生長和重塑的連續(xù)過程，進而更好地指導(dǎo)接骨板的設(shè)計。

2 接骨板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

接骨板的結(jié)構(gòu)對骨折治療效果具有十分重要的影響，圖7 顯示了由于接骨板設(shè)計不合理造成的兩種典型并發(fā)癥[34-35]。如圖7(a)所示，如果接骨板剛度太小，導(dǎo)致了接骨板產(chǎn)生大變形甚至斷裂；而如果接骨板剛度過大，會出現(xiàn)應(yīng)力遮擋效應(yīng)，導(dǎo)致骨不連甚至二次骨折，如圖7(b) 所示。根據(jù)骨折愈合的特點，接骨板的設(shè)計通常需要滿足以下要求：a. 能夠提供足夠的固定穩(wěn)定性，保證斷骨的準(zhǔn)確復(fù)位；b. 能夠使斷骨在愈合過程中持續(xù)產(chǎn)生合理的力學(xué)刺激；c. 適當(dāng)減小接骨板與骨的接觸面積，保護血運。

圖7 由于接骨板設(shè)計不合理造成的嚴(yán)重并發(fā)癥Fig. 7 Serious complications caused by unreasonable design of bone plate

接骨板一般是帶孔板狀結(jié)構(gòu)，通過螺釘與骨骼相連起到固定和支撐的作用。接骨板結(jié)構(gòu)對其結(jié)構(gòu)剛度具有非常重要的影響，通過對接骨板結(jié)構(gòu)進行設(shè)計能夠使其更好地滿足骨折愈合的生物力學(xué)需求。接骨板的設(shè)計通常根據(jù)不同部位骨骼的形態(tài)和承載特點來進行，在設(shè)計方法上可以分為類比設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計兩類，表2 從設(shè)計方法和設(shè)計對象的角度總結(jié)了現(xiàn)有的接骨板設(shè)計，部分相應(yīng)的設(shè)計結(jié)果如圖8 所示。

表2 接骨板結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法Tab.2 Structural design method of bone plate

Korkmaz 等[36]設(shè)計了X 型、L 型、T 型和I 型的下頜骨接骨板，利用有限元方法分析了不同接骨板類型對固定穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明X 型接骨板能夠提供最佳的固定穩(wěn)定性。Oliveira 等[37]設(shè)計了長條型、正方型框和長方型框下頜骨接骨板，并通過力學(xué)試驗分別對用于豎直骨折和斜向骨折固定時斷骨-接骨板系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了分析，結(jié)果表明，使用如圖8(a)所示的長方型接骨板的固定穩(wěn)定性最佳。Wang 等[38]對比了分別使用一個微型接骨板、兩個微型接骨板和根據(jù)骨解剖形態(tài)設(shè)計的接骨板對下頜骨骨折固定時，斷骨-接骨板系統(tǒng)的應(yīng)力和應(yīng)變分布狀況，結(jié)果表明使用兩個微型接骨板的固定效果最佳，接骨板結(jié)構(gòu)和在100 N負(fù)載下的應(yīng)力云圖如圖8(b)所示。Nurettin 等[39]對比分析了使用不同厚度下頜骨接骨板固定時，骨-接骨板系統(tǒng)應(yīng)力與位移分布狀況，結(jié)果表明厚度為2 mm 的接骨板更適合臨床使用，接骨板結(jié)構(gòu)以及在咬牙和磨牙狀態(tài)下應(yīng)力云圖如圖8(c) 所示。Kim 等[40]利用聚合物材料，設(shè)計了如圖8(d)所示的矩形變截面接骨板，能夠使骨折處產(chǎn)生更大的力學(xué)刺激，并有效地降低了骨-接骨板接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力。上述設(shè)計僅依據(jù)經(jīng)驗調(diào)整接骨板的宏觀結(jié)構(gòu)，通過對比進行優(yōu)選設(shè)計，并未得到最優(yōu)設(shè)計。為了能夠獲得最優(yōu)的接骨板結(jié)構(gòu)，Qin 等[41]針對下頜骨接骨板，以過渡圓角半徑、橫截面類型和螺釘分布為設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)強度最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)進行了優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計結(jié)果如圖8(e)所示。

圖8 接骨板結(jié)構(gòu)類比設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計及有限元分析結(jié)果Fig.8 Results of structural analogy design, parameter optimization design and finite element analysis of bone plate

拓?fù)鋬?yōu)化方法能夠根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)，在設(shè)計域內(nèi)找到材料的最佳分布，是一種有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。圖9 顯示了部分接骨板拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計結(jié)果和有限元分析結(jié)果。Lovald 等[42]針對下頜骨側(cè)邊骨折，采用SIMP（solid isotropic material with penalization）方法，將厚度為1 mm 的八孔長方形實心鈦板作為設(shè)計域，以接骨板剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)置體積約束，得到最佳的拓?fù)錁?gòu)型，然后將接骨板圓角半徑、板的厚度和螺孔之間距離等參數(shù)作為設(shè)計變量進行參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計結(jié)果以及在磨牙狀態(tài)下的應(yīng)力云圖如圖9(a) 所示。Liu 等[43]建立了骨折間隙為1 mm 的下頜骨有限元模型，將與骨折部位骨解剖形態(tài)貼合的結(jié)構(gòu)作為設(shè)計域，以結(jié)構(gòu)剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)置體積約束和位移約束，拓?fù)鋬?yōu)化得到了如圖9(b)所示的V 型接骨板。Ouyang 等[44]針對桑德斯Ⅱ-C 型跟骨骨折，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法，設(shè)計的新型接骨板和在垂直載荷作用下的應(yīng)力云圖如圖9(c) 所示。Al-Tamimi 等[45]運用不同加載方式對長骨接骨板進行了拓?fù)鋬?yōu)化。針對下頜骨接骨板，Sensoy 等[46]首先使用粒子群優(yōu)化算法對螺釘分布進行了優(yōu)化設(shè)計，然后按照最佳的螺釘分布位置對接骨板結(jié)構(gòu)進行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，設(shè)計結(jié)果如圖9(d)所示。針對下頜骨粉碎骨折接骨板，Li 等[47]采用分步優(yōu)化設(shè)計方法，首先對如圖9(e)所示接骨板兩端的固定翼進行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，然后考慮軸向和斜向兩種不同載荷的聯(lián)合作用，對接骨板主體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，并利用增材制造技術(shù)制造樣件進行了力學(xué)實驗。上述的拓?fù)鋬?yōu)化都是以剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計結(jié)果具有較好的力學(xué)性能，但不一定能夠為骨愈合提供良好的生物力學(xué)環(huán)境。因此，Wu 等[33]提出一種考慮骨重塑的接骨板拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法，采用SIMP方法，將骨骼重塑最后階段重塑區(qū)域骨密度最大作為優(yōu)化目標(biāo)，將應(yīng)變能密度作為量化生物力學(xué)刺激的指標(biāo)，對下頜骨接骨板進行了優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)約束為40%時的優(yōu)化結(jié)果如圖9(f)所示。Zhang 等[48]利用可降解結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法設(shè)計了可降解接骨板，根據(jù)骨愈合的生物力學(xué)特性對接骨板的時變剛度特性進行了調(diào)控設(shè)計。

圖9 接骨板結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計及有限元分析結(jié)果Fig.9 Results of topology optimization design and finite element analysis of bone plate structure

有限元分析和力學(xué)實驗的評估手段主要適用于接骨板初始設(shè)計階段，最終需要通過臨床隨訪研究接骨板結(jié)構(gòu)對骨愈合效果的影響。圖10 顯示了部分使用接骨板的臨床病例CT 圖像。Qin 等[41]在11 例臨床病例中使用了下頜骨定制化骨板，其中10 例病例順利恢復(fù)，1 例病例由于固定不當(dāng)導(dǎo)致接骨板在手術(shù)6 個月后發(fā)生斷裂。Sawatari 等[49]統(tǒng)計了222 名使用如圖10(a)所示的三維支撐板的患者恢復(fù)情況，需要手術(shù)干預(yù)的并發(fā)癥發(fā)生率為6.8%，其固定穩(wěn)定性和并發(fā)癥發(fā)生率優(yōu)于微型骨板。Lou 等[50]通過臨床病例研究了如圖10(b)所示的多鉤角鎖骨溝板角度對鎖骨遠(yuǎn)端骨折的治療效果，結(jié)果表明當(dāng)角度為0°～20° 時治療效果最佳。Madey 等[51]通過臨床研究表明，使用動態(tài)鎖定骨板能夠?qū)崿F(xiàn)安全有效的動態(tài)鎖定固定，患者手術(shù)前、手術(shù)后、術(shù)后6 周、術(shù)后24 周的CT 圖像如圖10(c) 所示。Boni 等[52]通過臨床病例驗證了使用“7”字型骨板在髖骨骨折固定時能夠獲得較大的表面積覆蓋和較高的固定穩(wěn)定性，從而取得良好的治療效果，第5 個月時骨折處CT 圖像如圖10(d)所示。

圖10 使用接骨板的臨床病例CT 圖像Fig.10 CT images of clinical cases using bone plate

綜上，接骨板結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的類比設(shè)計到優(yōu)化設(shè)計，從僅對接骨板本體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計到對接骨板-螺釘系統(tǒng)的綜合設(shè)計，從以接骨板力學(xué)性能為目標(biāo)的設(shè)計到基于骨重塑理論的設(shè)計，使接骨板的設(shè)計更加符合骨愈合的生物力學(xué)要求。

3 總結(jié)與展望

骨折內(nèi)固定植入物隨著材料科學(xué)、力學(xué)、制造科學(xué)及醫(yī)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，在醫(yī)用生物材料、骨愈合理論、骨愈合預(yù)測模型、實驗方法、設(shè)計和制造方法等方面取得了顯著進展，但仍存在以下問題需要進一步研究和探索。

a.在生物材料方面，目前接骨板使用的材料主要以金屬和高分子復(fù)合材料為主，其中對于高分子復(fù)合材料的生物學(xué)特性并未開展全面的臨床實驗研究，在實際臨床中仍以金屬為主。多孔材料和可降解材料等功能材料的使用對減輕應(yīng)力遮擋效應(yīng)具有明顯的作用，但是缺少相應(yīng)的設(shè)計方法。

b.對骨愈合理論、骨愈合和骨重塑數(shù)學(xué)模型的研究闡明了骨斷端生物力學(xué)環(huán)境對骨折愈合效果的影響，為接骨板的設(shè)計提供了一定的指導(dǎo)，但是還未形成一套完善的基于骨愈合理論的接骨板評價方法。

c.使用優(yōu)化設(shè)計方法進行接骨板的設(shè)計還比較少，即使采用了優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，往往考慮的設(shè)計因素比較單一，從而導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果沒有達(dá)到理論上的最優(yōu)。

基于上述存在的問題，對接骨板應(yīng)采用更全面的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：首先根據(jù)骨折處骨骼的解剖形態(tài)建立接骨板的初始構(gòu)型，并通過分析骨折處骨骼的負(fù)載情況選定合適的材料；其次考慮合理的設(shè)計因素，利用基于生物力學(xué)評價的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進行優(yōu)化設(shè)計；最后對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行實驗驗證。

上述設(shè)計過程中的難點在于如何建立基于生物力學(xué)評價的力學(xué)模型。根據(jù)骨折愈合的生物力學(xué)特征，理想接骨板的結(jié)構(gòu)剛度隨著骨折愈合時間歷程的變化趨勢應(yīng)如圖11 所示。在骨痂形成期，保持剛度基本不變，為骨斷端提供穩(wěn)定的生物力學(xué)環(huán)境，保證愈傷組織的生長；在骨痂重塑期，剛度逐漸變小，逐漸使骨骼承擔(dān)主要載荷，促進骨重塑的進行。因此，理想接骨板應(yīng)具有時變剛度的功能特性。從該功能特性出發(fā)，可采用生物降解材料和多孔結(jié)構(gòu)作為其載體，使用拓?fù)鋬?yōu)化方法進行宏微觀多材料的接骨板結(jié)構(gòu)設(shè)計，并可采用增材制造技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)計制造一體化，最終實現(xiàn)個性化的精準(zhǔn)治療。

圖11 理想接骨板和愈傷組織在骨折愈合過程中剛度變化趨勢Fig.11 Changing trend of structure stiffness of ideal bone plate and callus during fracture healing