下肢骨折固定术的革新：增材制造植入物的生物力学、设计与进展

《Materials Letters》：Review on lower limb bone fracture fixation: biomechanics, design, and advancements in additive manufacturing for implants

本文针对下肢骨折治疗中传统金属植入物因刚度不匹配导致的应力屏蔽问题，系统回顾了骨板和髓内钉的生物力学、设计考量及增材制造(AM)进展。研究表明，通过多孔结构和拓扑优化设计，AM技术可降低植入物刚度40–70?%，同时维持力学稳定性并促进骨痂形成，为个性化植入物设计及人工智能整合提供新方向。

　　

当我们不小心摔一跤导致腿部骨折时，医生通常会使用金属植入物如骨板或髓内钉来固定骨折部位，帮助骨骼愈合。然而，传统的金属植入物存在一个棘手的问题：它们的刚度（Young’s modulus）远高于人体骨骼。例如，皮质骨的刚度仅为7–30?GPa，而常用的钛合金（Ti-6Al-4V）高达110?GPa，不锈钢（SS）和钴铬合金（Co-Cr）更是达到200–230?GPa。这种刚度不匹配会导致“应力屏蔽”现象——即植入物承担了大部分负荷，而周围的骨骼因缺乏力学刺激而逐渐退化，影响愈合效果。据统计，下肢骨折占所有骨折的20.2?%，如何优化植入物设计成为骨科治疗的关键挑战。

在这篇发表于《Materials Letters》的综述中，作者Ali Mehboob、Imad Barsoum和Rashid K. Abu Al-Rub系统回顾了下肢骨折固定技术的演进，并重点探讨了增材制造（Additive Manufacturing, AM）带来的突破。研究人员通过分析生物力学原理、植入物设计创新以及AM技术的应用，指出多孔结构和拓扑优化设计能显著降低植入物刚度（降幅达40–70?%），同时维持力学稳定性，促进骨痂（callus）形成。这项研究不仅总结了实验、临床和计算模拟方面的证据，还强调了AM技术在实现个性化植入物设计方面的潜力，为未来整合人工智能（AI）指明方向。

为开展这项综述研究，作者主要采用了文献回顾与案例分析相结合的方法，系统梳理了下肢骨折固定的关键技术进展，包括传统植入物的力学性能测试、增材制造工艺（如选择性激光熔化）在多孔植入物制备中的应用，以及拓扑优化和有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）等计算模拟手段。研究基于公开的临床数据和生物力学实验数据，无需特定样本队列。

骨折愈合与生物力学环境

作者首先概述了骨折愈合的生物学过程，强调力学环境对愈合效果的影响。适当的微动（micromotion）和负荷传递能刺激骨痂形成，但传统刚性植入物会抑制这一过程。

骨板与髓内钉的演进

通过回顾植入物发展史，文章指出早期设计注重刚性固定，而现代理念转向生物相容性和刚度匹配。AM技术允许定制化多孔结构，减少应力屏蔽风险。

增材制造的优势

AM制造的植入物可通过调整孔隙率降低刚度，例如多孔钛合金结构模量可接近骨骼水平。拓扑优化进一步优化了负荷分布，提升长期稳定性。

实验与临床验证

研究引用体外力学测试和临床案例，表明AM植入物在抗疲劳性和骨整合方面优于传统设计，并发症率降低。

结论与展望

文章结论部分强调，增材制造通过多孔设计和拓扑优化，实现了植入物刚度与骨骼的更好匹配，有效缓解了应力屏蔽问题。同时，AM技术为个性化医疗提供新途径，未来结合人工智能（如机器学习优化设计参数）可进一步提升植入物性能。这一进展对下肢骨折治疗具有重要临床意义，有望改善患者康复效果。