编辑推荐：
在骨科手术中，骨锚的失效问题突出。研究人员开展了 “Prediction of bone ingrowth into the porous swelling bone anchors using an osteoconnectivity - based adaptive finite element algorithm” 的研究。结果表明膨胀可刺激骨长入，小和中等孔径性能更优。该研究为优化骨锚设计提供了重要依据。
在骨科手术的舞台上，骨锚扮演着至关重要的角色，它就像是搭建骨骼与软组织 “桥梁” 的坚固铆钉，承担着稳定、长期固定的重任，常见于软组织与骨的重新连接、骨软骨缺损修复以及骨折内固定等手术场景 。然而，这看似坚固的 “铆钉” 却存在不少问题。在骨质疏松等低密度骨中，骨锚容易因抗剪切力不足而失效，一旦发生拔出故障，不仅会对周围骨骼造成严重损伤，还会让后续的修复工作困难重重。此外，传统骨锚材料（如钛）与骨的弹性模量差异大，会引发应力屏蔽现象，久而久之导致骨锚松动。
为了解决这些难题，来自德雷塞尔大学（Drexel University）的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于多孔膨胀骨锚，利用基于骨连接性（osteoconnectivity）的自适应有限元算法，深入探究骨长入其中的过程，研究成果发表在《Medical & Biological Engineering & Computing》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。在模拟骨锚吸湿膨胀时，运用商业有限元软件 COMSOL Multiphysics 5.7，结合已有的吸湿弹性框架进行分析。为了研究骨长入，通过 Python 脚本在 Abaqus CAE 软件中构建骨长入框架，将有限元分析与骨重塑算法相结合。在模型构建方面，根据前人研究方法模拟共聚物骨锚的孔隙，并设定不同的孔隙尺寸进行研究。
研究结果令人瞩目。在验证骨长入框架时，发现新形成的骨从骨与植入物的界面开始生长，逐渐向空隙区域中心延伸，且与前人研究结果相符，这表明该框架具有良好的可靠性。在研究不同生长速率对骨长入的影响时，设定不同的密度增长限制条件，如ρi>ρinitial、ρi>1.25×ρinitial和ρi>1.5×ρinitial，结果显示限制条件越严格，骨长入速率越慢。例如，在平均孔径为 300μm 的多孔膨胀骨锚中，当限制为ρi>ρinitial时，第 25 次迭代时骨长入深度为 1.29mm；而当限制为ρi>1.5×ρinitial时，该深度仅为 0.53mm，下降了近 69% 。
对于不同孔径的骨锚，研究发现骨锚膨胀产生的径向应力能显著促进骨长入，但大孔径的有限元模型（FEM）中骨长入速率相对较慢。在第 40 次迭代时，小孔径（300μm）、中孔径（450μm）和大孔径（600μm）FEM 中发生骨长入的元素数量分别为 56k、58k 和 47k，填充体积比分别约为 39%、43% 和 33%，新增质量分别为 0.0035g、0.004g 和 0.0021g。而且，中孔径 FEM 由于孔隙连通性更好，在后续迭代中骨向空隙中心的渗透更深。
从骨长入对骨锚机械完整性的影响来看，在骨长入前，孔径对膨胀骨锚的机械完整性影响较小；而骨长入后，所有模型的机械完整性都显著提高，小孔径、中孔径和大孔径 FEM 分别提升了 27%、33% 和 22%，且小孔径和中孔径模型的弹性响应增加幅度比大孔径模型更高，分别高出约 5% 和 11%。在固定强度方面，骨长入使膨胀骨锚的固定强度大幅提升，预骨长入时最大拔出力约为 62N，而骨长入后达到约 103N。
研究结论和讨论部分进一步揭示了该研究的重要意义。研究开发并验证的骨长入框架，通过纳入骨连接性矩阵，能更准确地预测骨长入顺序，模拟真实的骨重塑现象。研究发现孔隙连通性在促进骨生长中起着关键作用，较小孔径更有利于快速且广泛的骨长入。同时，骨长入能显著增强骨锚的机械完整性和固定强度，这为优化骨锚设计提供了有力的理论支持。不过，研究也存在一定局限性，如采用四分之一切片有限元模型和仅考虑三种孔径等。但总体而言，该研究为未来骨锚设计的改进指明了方向，为提高骨科手术效果奠定了坚实基础。
