可控孔隙几何结构的FDM 3D打印可吸收生物塑料支架的成骨特性研究

本研究针对骨组织工程中支架结构对细胞行为调控不足的问题，通过熔融沉积成型(FDM)技术制备了四种不同通道拓扑结构（三角形、方形、六边形及希尔伯特曲线构型）的聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(P(3HB-co-3HV))支架。研究发现三角形结构支架能显著促进间充质干细胞(MSCs)的代谢活性和通道闭合速度，而希尔伯特曲线构型在28天培养后表现出最高矿化度。该研究为临界尺寸骨缺损修复提供了新型功能性支架设计策略。

　　

骨组织再生领域长期面临临界尺寸骨缺损（critical-size bone defects）修复的挑战，这类超过自然修复能力的缺损常导致骨再生失败。传统钛合金、陶瓷等材料存在生物相容性差或不可降解的问题，而新兴的聚羟基脂肪酸酯(PHAs)虽具备生物可降解性和良好力学性能，但其3D打印应用受限于材料变形难题。更关键的是，支架内部孔隙几何结构如何影响细胞行为仍缺乏系统研究。

俄罗斯科学院克拉斯诺亚尔斯克科学中心的Galina A. Ryltseva团队在《Bioprinting》发表的研究，首次系统比较了四种不同孔隙构型的P(3HB-co-3HV)支架的成骨性能。研究采用FDM 3D打印技术，通过Inventor 2023设计三角形、方形、六边形及希尔伯特曲线通道结构，利用人MSCs评估了支架结构对细胞增殖、代谢及成骨分化的影响。

关键技术包括：1）基于CAD/CAM建模的四种孔隙构型设计；2）FDM工艺参数优化实现纯P(3HB-co-3HV)打印；3）SEM观察细胞空间分布；4）碱性磷酸酶(ALP)活性检测和Alizarin Red染色定量矿化程度。

【3D scaffolds characterization】
扫描电镜显示所有支架均实现精确的几何复现，孔隙率控制在65±5%。三角形结构锐角处出现材料轻微堆积，但未影响整体结构完整性。

【Cell behavior analysis】
• 初期(7天)：MSCs优先黏附于高曲率区域，三角形支架的ALP活性较方形结构高1.8倍
• 中期(14天)：方形结构ALP活性显著低于其他组(p<0.05)，希尔伯特曲线组细胞覆盖率已达95%
• 后期(28天)：希尔伯特曲线组矿化面积较六边形组高37%，所有通道均被完全封闭

【Conclusions】
研究证实孔隙几何结构通过力学微环境调控MSCs行为：1）锐角结构促进早期细胞聚集和代谢激活；2）连续曲线构型更利于晚期细胞外基质沉积；3）所有结构均支持成骨分化，但矿化效率存在显著差异。该发现为定制化骨修复支架设计提供了新思路，特别是希尔伯特曲线构型在长期骨再生中展现独特优势。

讨论部分强调，这是首个系统研究纯P(3HB-co-3HV)支架几何效应的报道，突破了该材料难打印的技术瓶颈。研究成果对战场创伤、交通事故等导致的复杂骨缺损修复具有重要临床意义，未来可结合患者特异性缺损形状进行拓扑结构优化。