科学研究
> 研究领域与方向

        个性化治疗是21世纪医学发展的重要方向。医学内植物是实现生物替代,重建人体组织器官结构与功能的重要外科治疗手段。由戴尅戎院士和王成焘教授领衔的医工交叉科研团队,历经20余年的医工科研合作,已建成了个性化医学内植物的数字化设计与制造技术平台,成功研制了具有我国自主知识产权的个性化人工关节系列产品,实现了产业化,使得一大批关节严重畸形、肿瘤患者恢复了关节运功功能,提高了生活质量,取得了广泛而良好的社会效应,并确立了我们在个性化内植物研究方向上的国内领先地位,相关研究成果先后获国家发明二等奖、国家科技进步二、三等奖各1项,省部级科技进步一、二、三等奖20余项,3项产品获国家医疗器械注册证。

        生物力学是21世纪医学工程发展的重要支撑学科,它通过研究生命体内不同尺度物质的力学问题,从力学与医学交叉角度阐明相关疾病的发病机制,为临床诊治与医疗器械设计与评价等提供科学依据。作为国内最早开展骨科生物力学的研究机构之一,我们自上世纪80年代起,即开展了肌肉骨骼系统生物力学研究。近年来,又聚焦于内植物相关的多尺度生物力学和力学生物学、运动生物力学与康复医学工程等研究方向,先后承担了国家自然科学基金重点和面上项目、科技部国际合作项目、国家科技支撑项目等国家级研究课题,已建立了人体骨肌系统生物力学研究平台,包括中国力学虚拟人骨肌系统仿真系统、人体运动步态与平衡功能分析系统、人体运动康复功能评价系统等,在假体结构与功能设计、人体运动与动力学研究、康复医学工程等方面取得系列研究成果。

        目前的研究方向有:医学内植物的数字化设计与制造、3D打印技术的医学应用研究、假体生物力学与力学生物学、人体运动与康复医学工程、人工关节与创伤生物材料。

> 3D打印技术的医学应用
> 个体化人工关节的快速化制作技术和应用

        在国家863项目基金支持下,为了进一步克服影响个体化人工关节临床应用与推广的主要障碍,缩短假体的生产周期、降低成本、我们基于大批量定制理念开展了有关个体化人工关节的快速化制作技术的研发。依靠CAD/CAE/CAM/PDM技术、参数化变量化设计技术、虚拟制造技术、成组技术等新技术,对各关节假体的个性化需求进行分类,找出尽量多的共性元素。除关节优先区外,在不影响人工关节的力学性能和功能条件下,通过改变肩、肘、髋、膝、踝关节的设计,增加人工关节的共用组件,并减少共用组件的规格品种;统一原材料探伤、表面喷涂、焊接、杀菌、包装的工艺装备。对手术辅助器械设计和工艺流程采用同样的原则,生产用模具、夹具设计尽可能采用互换件,使制造技术合理化,优质、高效、快速地制造出满足用户个体化需求的假体。

制作人工关节时,只对优先区实施定制,就可显著降低制作时间和成本。

      通过“简化”和“共用”方式,细分假体组成元素,找出尽量多的共性元素,增加人工关节的共用组件,实现统一器械设计和工艺流程。

        针对临床应用中的假体,进行设计改良,通过二次开发形成具有独立自主知识产权的新发明专利。如半骨盆假体的支托设计,二代全距骨假体设计。开发新型定制假体,如用于人工髋关节翻修术的髋臼钢板等。从而实现手术简化,提高术后功能的目标。利用已有的研究成果,至今已完成个体化人工关节假体设计、手术实施66例,获得良好的临床效果。

        目前,中心已建立了集研究、设计与制造为一体的个体化人工关节研究-产业链,以临床需求为导向设计研发新型个体化人工关节,并成功应用与临床,同时还将该产业模式推广至上海多家医院及机构,产业范围涉及全国。针对临床应用中的假体,进行设计改良,通过二次开发形成具有独立自主知识产权的新发明专利。如半骨盆假体的支托设计,二代全距骨假体设计。开发新型定制假体,如用于人工髋关节翻修术的髋臼钢板等。从而实现手术简化,提高术后功能的目标。利用已有的研究成果,至今已完成个体化人工关节假体设计、手术实施66例,获得良好的临床效果。

> 个体化人工关节的结构防生、生物学优化和临床应用

        个体化人工关节多数以形态仿生为主。手术以恢复病损部位的大体形态和基本的生理功能为目的,甚至仅为了保肢,远未达到功能仿生的要求。为了进一步提高个体化人工关节对毁损关节功能替代的质量,我们开展了人工关节结构仿生优化研究:包括运动学仿生和稳定性仿生;研发符合正常肩、膝、髋、肘、踝关节的三维共轭活动模式以及重建大节段骨切除和软组织切除病人的关节稳定性;研发出具有自主知识产权的新型个体化假体;利用CT数据建立下肢三维骨骼模型,获取正常南方国人下肢几何形态参数数据库;建立膝关节周围韧带动力模型进行生物力学分析,研究其功能和损伤机制。

        同时为了提高人工关节的生物相容性,我们开展了假体材料的优化研究,首先,我们利用骨髓基质细胞黏附实验进行假体材料优选,通过细胞黏附、增殖分化、分泌基质功能比较,筛选最优于细胞功能的假体材料和表面形态;又如在ß型钛合金中加入生物相容性良好的铌和锆,使钛合金在保持其抗腐蚀性和力学强度的同时,进一步提高生物相容性、降低弹性模量,从而有效降低假体的应力遮挡效应。

在正常南方国人下肢三维骨骼模型上测量下肢力线角度HKA等几何形态参数,建立起正常数据库

      膝关节周围韧带三维分束模型和膝关节运动时各韧带分束的位移和应力分布(红色:高应力,蓝色:低应力).

        以下内容为应用研发的个性化人工关节设计与制造技术案例,成功诊治一位患有先天性下肢严重复合畸形患者。 图中显示的依次为患者下肢复合畸形状况、术前X片、三维影像重建模型、快速成型模型、个体化人工关节置换后术后X片及术后康复状况。

利用骨髓基质细胞黏附实验进行假体材料优选,在细胞黏附、增殖功能上钛合金优于钴合金
利用骨髓基质细胞黏附实验进行假体材料优选,在细胞黏附、增殖功能上,HA涂层〉非涂层
> 个体化人工关节的结构防生、生物学优化和临床应用

      骨科内植物植入人体后形成的内植物—骨界面质量是决定内植物置换术远期成效的关键。研究影响内植物—骨界面的生物学与生物力学因素,包括改善与增强界面间的骨整合技术、方法与手术措施等,不仅能有效合提高植入物的长期稳定性,而且界面骨整合所形成的封闭效应,也将阻止磨损颗粒沿界面迁移,从而大大降低骨溶解的发生。我们在国家自然科学基金、上海市科委各项科研基金资助下,开展了该领域的多项研究。

内植物—骨界面之间的良好骨整合,既促进植入物的应力合理分布与载荷传递,又阻止磨损颗粒沿界面迁移
BMP2基因给药对内植物-骨界面的骨整合具有促进作用
抗骨吸收药物抑制骨溶解, 促进骨整合
阿仑膦酸钠对植入物周围骨溶解的影响
> “中国力学虚拟人”大型软件的商品化

      “中国力学虚拟人”是国家自然科学基金重点课题,研究成果之一是提交一个大型的供人体骨肌系统生物力学分析软件,并使它成为国内外知名软件产品。目前,国外生物力学分析软件往往偏重于某一方面,中国的科研人员以及医院医生必须购买多项软件才能满足科研和临床的需要,价格昂贵往往难以承受。该项目的指标之一是在基础研究的基础上,开发一个大型人体骨肌系统生物力学分析软件,包括:人体运动测量数据处理和运动仿真、运动学与动力学分析、肌肉力计算、有限元分析等内容,并且按基金的要求,运用中国可视化人研究成果,建立一个中国典型人体骨肌系统三维模型,作为中国力学虚拟人的典型模型。经过三名教师、十名博士生、六名硕士生和一名博士后的四年努力,我们完成了这些重点课题研究,解决了软件平台建立所需要的核心技术,并形成一个软件系统。同样为了使该软件原型成为正式软件产品,中心和上海硅步科技发展有限公司合作,在中心内建立了具有产业化性质的中国力学虚拟人网站,招聘了六名专业人员从事软件的产品化工作,这些人员将固定在网站工作,从事产品继续升节换代的研发工作、产品的应用推广工作,并且通过网站建立一个“中国力学虚拟人”网上计算服务业务,目前这一运作模式已初见成效,先后承接了三项计算服务业务。目前“中国力学虚拟人”网站和软件产品正履行我国信息产业部的软件企业与软件产品的注册登记和鉴定程序,在2010年内进入正规软件企业的运作模式。

> 护理损伤的生物力学研究

      腰背部骨肌系统损伤与疼痛是居于首位的护理职业病,护理人员经常性地采用人工抬、抱等方式移动和搬运病人,是导致该病高发的主要因素。在科技部中加国家科技合作基金资助下,我们研究了护理人员在人力搬运患者的不同阶段中腰背部承载的平均与极限载荷、各方向的承载力矩等重要力学指标,分析和评估人力搬运过程对护理人员腰背部的损伤风险,获得了人力搬运过程各阶段人体腰背部承载受力与风险的特征,研究表明,在整个搬运阶段,护理人员脊柱承载的正压力负荷和前后向剪切力均超过人体安全阈值,尤以移位搬运动作所产生的损伤风险最大。研究结果为探索有效减缓该损伤的合理搬运方式,开发适合国情的智能型移动与搬运患者护理设备提供重要理论依据。

人力搬运护理任务:a)翻身(推动);b)挪移I(床边);c)扶起(躺-坐);d)放倒(坐-躺);e)挪移II(床边);f)搬移(床-椅)
六个搬运护理任务计算所得的生物力学结果
六个搬运护理任务计算所得的心理物理学结果