据中国光学期刊网，于2023年05月17日报道，北京工业大学季凌飞教授团队的研究论文被选为《中国激光》“生物医学光子学”专题子刊的亮点文章，通过试验与模拟相结合的方法，研究了激光钻切骨孔的微观组织特征与抗失稳行为，研究结果为激光钻切骨孔手术的临床应用提供了参考。

        1.研究背景

        近年来，激光在骨科医疗中的应用非常广泛，其中钻孔是骨折修复手术中最常见的临床操作。机械钻切极易损害骨孔的微观组织结构，产生裂纹与骨屑，严重影响骨孔的抗失稳破坏能力及术后愈合效果。激光钻切是一种非接触加工方式，具有更大自由度与更高精度，能够有效降低钻切区域裂纹扩展以及组织特性损伤，提高骨孔的抗失稳性能，具有广阔的临床应用前景。

        随着医工交叉研究的深入推进，激光钻切在骨折治疗等外科手术中的潜在应用优势获得了越来越多的关注。但对于骨孔抗失稳行为的研究多聚焦于宏观尺度的裂纹扩展行为方面，较少考虑骨组织本征非均质结构特征，对激光钻切骨抗失稳行为的分析研究缺乏具有实际应用价值的支撑，严重制约了面向临床手术的骨钻切技术有的放矢地研究和发展。

        2.创新研究

        北京工业大学季凌飞教授团队在医工交叉创新激光诊疗器械研究方面开展了系统研究，在充分考虑骨组织非均质结构特征的基础上，对激光钻切骨孔的裂纹扩展、微观组织特性和抗失稳行为进行了系统研究。

        图1（a）、（b）分别展示了激光钻切骨孔（激光功率密度为5.70×104 W/cm2，扫描速度为4 mm/s）和机械钻切骨孔的扫描电子显微镜（SEM）形貌。由图1（a）可以看出，激光钻切骨孔表面开放的沃克曼管（Volkmann canal）清晰可见，骨孔边缘（Ⅰ、Ⅱ区）均未出现裂纹、熔凝、骨屑等缺陷，在愈合过程中会促进骨组织内部血液输运与细胞的粘附，加速骨组织的愈合。而机械钻切骨孔边缘（Ⅰ、Ⅱ区）布满张开型裂纹，裂纹的最大长度超过骨组织断裂的临界长度300 μm，骨孔壁面因钻头的接触式机械作用，导致沃克曼管堵塞，延迟愈合过程，如图1（b）所示。

        图2（a）为激光与机械钻切骨孔周围组织的弹性模量分布和基于原子力显微镜（AFM）图像的骨组织分形特征分析的测试图。激光钻切骨孔周围弹性模量受影响区域宽度为200 μm[图1（a）中Ⅰ区]，较机械钻切骨孔缩小了67 %[图1（b）中Ⅰ、Ⅱ区]。组织内仅有部分胶原纤维受热影响，个别矿物质颗粒呈团状分布在骨组织表面，仍可辨识出胶原纤维的排列方向，组织表面孔隙率和分形维数分别为0.17和1.88，保持了骨组织的原始结构，如图2（b）。而机械钻切骨孔组织内胶原纤维发生严重热变形，大量矿物质颗粒呈团状分布，排列方向无法辨识，且在组织表面形成多个孔隙，组织表面孔隙率和分形维数分别为0.26和1.90，这些孔隙成为应力集中点，导致机械钻切骨孔更易失稳，如图2（c）。

       为真实刻画骨孔的抗失稳行为，建立由骨单位（osteon）、间质骨基质（interstitial matrix）、骨黏合线（cement line）和哈弗氏管（Haversian canal）组成的非均质四相复合模型，如图3（a）所示。对于激光钻切骨孔，内置皮质骨螺钉加载轴向力所产生的裂纹会由于在骨黏合线周围发生抑止或偏转而无法穿透骨黏合线，揭示了骨孔的抗失稳破坏机制[图3（b）]。而机械钻切骨孔裂纹直接穿透骨黏合线进入骨单位，骨单位无法抑止裂纹的扩展，导致骨孔壁面失稳[图3（c）]。

        3.总结

        通过实验与模拟相结合的方式，团队重点研究了激光钻切骨孔的裂纹扩展和微观结构特征及其对骨孔抗失稳行为影响，揭示了骨孔的抗失稳破坏机制。该研究为激光钻切骨孔手术的临床应用提供了具有应用价值的指导意见。

        课题组介绍

        季凌飞教授带领的超快激光与高精制造研究所隶属北京工业大学材料与制造学部，依托跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室和北京市激光应用技术工程技术研究中心开展科研工作。该团队长期从事激光先进制造科学与技术研究，始终坚持前沿性基础研究成果与国民经济发展和国家重大需求紧密结合，在激光与材料相互作用机制、超快激光高精制造、医工交叉创新激光诊疗器械及激光制造装备研发等方面握有国际前沿技术。

        目前已承担完成国家重点研发计划、国家自然科学基金等各类科研项目100余项；获得80余项含国际发明专利在内的专利授权，应用转化多项，在包括Advanced Functional Materials、Nano Letters、Photonics Research等国际期刊发表论文百余篇。