近日，广东工业大学王成勇教授课题组在生物组织操作与切除领域的研究基础，与美国密歇根大学安娜堡分校Albert Shih教授、美国马萨诸塞大学陈雷助理教授及英国诺丁汉大学廖志荣副教授等共同合作，筛选了近340篇相关文献对生物硬组织材料切削加工进行了全面的总结和系统分析讨论。
该成果以”Advances in machining of hard tissues – From material removal mechanisms to tooling solutions”为题发表在制造学科国际顶刊International Journal of Machine Tools and Manufacture (IJMTM，IF=7.880，排名：5/133)，论文长达47页，含53张图，7个表格，历时两年完成。
该文章梳理了近年来的重要研究成果，从材料去除机制到刀具优化方案进行了详细讨论。作者着重从生物硬组织的材料结构、机械及热物理性能等特性出发，阐述了不同机械方式下以及超声辅助加工方式下的材料切除机理，分析了不同加工方式下的加工特性以及切削力与切削温度理论模型，总结了硬组织切削机械及热损伤类型，及刀具结构及切削参数等对损伤程度的影响，提出了刀具设计优化理论及新思路，最终根据骨材料切除理论研究存在的主要科学问题和研究重点进行了分析和总结，为设计制造高效低损伤手术刀具、临床骨科疾病的合理治疗以及外科手术治疗研究提供了理论依据。
对于激光及水射流等能场加工方式的特种能场的切除机理和加工特性，在课题组发表在制造学科国内TOP期刊《机械工程学报》“生物组织精准手术器械设计制造”特邀专栏的文章《生物骨材料切除理论研究综述》中已进行了全面总结。
论文整体框架
据了解，生物硬组织材料（包含皮质骨、松质骨、牙釉质及牙小管）是人体中最重要的组成部分，其切削是一种常规的临床操作，常见于日常的整形外科、创伤骨科、关节外科、脊柱外科、口腔科以及神经外科等外科手术中。临床目的包括手术过程快、术中质量高且术后恢复快，以降低医生的手术负担，减少患者的康复时间和并发症，保证手术高效低损伤的质量。生物组织材料属于高度异质结构，同时具备纤维状聚合物（即胶原蛋白）及陶瓷纳米颗粒（即羟基磷灰石）的结构特性，使其具备裂纹偏转、裂纹桥接、纤维桥接及微裂纹四种增韧特性，且具备脆性或半脆性特性。生物组织材料不同于传统复合材料或金属材料，其具有内含空洞、体液及细胞，且具备热敏感性及活细胞再生能力，以及显著的个体差异性。由于手术类别多、手术器械种类杂、手术操作过程繁，使得生物硬组织的加工方式呈现多样化，即包括钻/铣/磨/锯等机械加工方式，也包含超声、激光/水射流等特种能场加工方式。分别从材料力学性能、热物理特性及切除形式的角度对生物硬组织材料切除及刀具结构设计均提出了严峻挑战。
生物硬组织加工的临床目的、科学问题及未来挑战
作者简介：
通讯作者：王成勇教授，现任广东工业大学副校长、教授、博导，享受国务院政府特殊津贴专家。长期从事难加工材料加工、生物组织加工与医疗器械研究。现任广东省微创手术器械设计与精密制造重点实验室主任。主导建设《机械制造基础》课程，获首批教育部课程思政教学团队、教学名师和示范课程（2021年）、首批国家级一流本科课程（2019年），2009获第四届广东省高等学校教学名师奖。主持完成国家自然科学基金项目12项（其中重点项目3项）、国家重点研发计划课题等国家、省部级以及企业委托项目多项，在IJMTM、JMPT、机械工程学报（中、英）等专业领域期刊发表论文多篇，授权发明专利80余项，部分研究成果已实现产业化；获国家科学技术进步二等奖（2019年）和中国机械工业科学技术奖一等奖（2018年）、广东省科技进步奖一等奖（2014年、2021年）、广东省科技奖自然科学二等奖（2009年），广东省丁颖科技奖（2021年）。
第一作者：张月博士生，2014年进入ACTCC王成勇教授团队，主要从事生物组织切除加工理论研究及医疗手术器械设计制造与应用。目前作为核心成员，参与国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金等项目，以第一作者发表SCI论文2篇，EI论文1篇，会议论文1篇，授权实用新型专利4项，申请发明专利4项。
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