摘要
钻切是骨外科手术中常见的临床操作。在传统机械钻切骨过程中，过大的切削力和扭矩极易损伤骨孔的微观组织结构，产生裂纹与骨屑，从而严重影响骨孔的抗失稳破坏能力及愈后效果。激光钻切是一种非接触加工方式，加工自由度高，可以通过非接触式去除方式有效降低钻切区域骨组织的损伤并提高精度。目前，激光钻切骨孔的研究还主要集中在宏观尺度的裂纹扩展行为方面，对于裂纹的产生和扩展机制，尤其是骨组织微观结构对裂纹行为的影响作用尚不清楚，对骨孔抗失稳行为的研究更少有涉及。因此，为进一步推进激光钻切骨孔的发展，本文在充分考虑骨的非均质结构特征的条件下，系统研究了激光钻切骨孔的组织裂纹扩展及抗失稳行为。主要研究内容及研究成果如下: 首先，研究了工艺参数对激光钻切骨孔组织裂纹扩展的影响规律。基于论文作者所在课题组前期自主研制的激光钻切骨孔系统，以离体羊胫骨为研究对象，通过调整激光工艺参数（功率密度、脉冲频率和扫描速度）设置多个激光钻切骨孔实验组。采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）对不同工艺参数下骨孔表面和内壁的组织裂纹扩展特征进行表征，并采用分形评价方法对组织裂纹扩展的微观特征进行量化分析，确定了裂纹抑制的临界激光参数和分形维数。综合裂纹的分形维数及SEM图像中裂纹与骨单位的相对位置，将不同工艺参数下裂纹的扩展模式划分为三种类型:（1）裂纹的分形维数约为1.85,裂纹扩展受到抑制，完全位于间质骨基质中，长度小于100 μm;（2）裂纹的分形维数约为1.86,裂纹沿骨粘合线开始扩展，随后在骨单位周围停止扩展，长度约为100～150 μm;（3）裂纹的分形维数约为1.87～1.89,裂纹扩展明显，其沿着骨粘合线扩展，并扩展到下一个哈弗氏系统，长度超过300μm。 其次，探究了裂纹扩展的抑制机制。采用红外热成像系统对激光钻切骨孔过程的温度进行实时监测，控制骨孔钻切温度的同时提高钻切效率。建立了综合考虑骨组织微观结构和材料特性的激光钻切骨孔有限元模型，通过不同工艺参数下应力强度因子（Stress Intensity Factor,SIF）计算和应力场分析，并结合实验结果揭示了骨组织的裂纹扩展与抑制机制。通过比较裂纹尖端的SIF和骨组织的断裂韧度推测裂纹扩展，当SIF超过骨组织的断裂韧度时，裂纹开始扩展。应力场的分析结果表明，最大应力在间质骨基质中传播，并且优先沿着骨组织的弱界面（骨粘合线）发生扩展。根据骨组织的裂纹扩展和抑制机制，得到激光钻切骨孔低创伤且高效率的最优工艺参数组合:功率密度、脉冲频率和扫描速度分别为5.70×104 W/cm2、14 Hz和4 mm/s。在该激光工艺参数下，骨孔钻切消融速率约为0.21 mm3/s,钻切温度低于热坏死阈值47℃,裂纹扩展在骨粘合线周围被抑制，裂纹完全位于间质骨基质中，长度小于100 μm,分形维数为1.85,实现了骨孔的高效率、低创伤激光钻切。 最后，开展了激光钻切骨孔抗失稳行为研究。采用原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)系统地分析了不同工艺参数下骨孔周围组织弹性模量的分布特征，以分形评价方法量化分析了激光钻切骨孔的微观组织特征。在最优的工艺参数下(功率密度、脉冲频率和扫描速度分别为5.70×104 W/cm2、14 Hz和4 mm/s),靠近激光作用区骨组织的分形维数和孔隙率分别为1.88和0.17,保持了骨组织微观结构的本征特征;激光钻切骨孔表面和内壁无裂纹，哈弗式管和沃克曼管保持开放状态，骨孔边缘弹性模量受影响区域宽度仅为200 μm,比机械钻切骨孔周围弹性模量受影响区域宽度缩小了 66.7％，抗拉拔强度增大了 39.4％,最大程度降低了钻切对骨孔力学特性的影响，证明了激光钻切骨孔相对于机械钻切骨孔的优越性。在充分考虑骨的非均质结构特征的条件下探究了轴向力作用下骨孔的抗失稳行为，发现在轴向力作用下，激光钻切骨孔裂纹在遇到骨单位后发生抑制或偏转，裂纹优先沿着骨粘合线扩展，骨单位的屏障效应有效提升了骨孔的抗失稳破坏能力。 综上所述，本文通过试验和有限元模拟(Finite Element Method,FEM)相结合的方法系统研究了激光钻切骨孔的组织裂纹扩展及抗失稳行为。研究讨论了工艺参数和组织微观结构对组织裂纹扩展规律和骨孔周围组织弹性模量分布特征的影响，采用分形评价方法量化分析了骨孔的组织裂纹扩展和微观组织特征;在充分考虑骨的非均质结构特征的条件下探究了裂纹抑制以及轴向力作用下骨孔抗失稳性能提升的机制，并对激光钻切骨孔工艺参数进行优化。本文对激光钻切骨孔的组织裂纹扩展和抗失稳行为进行了全面的研究，为骨孔的完整性和综合性评价提供了指导。通过优化激光工艺参数，实现了高效率、低创伤的骨孔钻切，有效抑制组织裂纹扩展，提升了骨孔的抗失稳破坏能力，为激光钻切骨孔手术的临床应用提供了具有指导意义的研究基础。
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