基于莰烯的金属墨水3D打印医用钛支架：多级孔隙结构对力学性能与生物相容性的协同调控机制

针对骨科植入物力学失配和骨整合不足的难题，上海某团队创新性开发了莰烯(C10H16)基钛(Ti)墨水，通过直接墨水书写(DIW)技术构建具有宏-微-纳三级孔隙的仿生支架。该支架压缩强度(68-289 MPa)和弹性模量(3.8-11.9 GPa)与皮质骨匹配，孔隙率(53%-75%)可调，显著提升能量吸收(6.4-16.8 MJ/m3)和细胞粘附性能，为骨缺损修复提供了兼具力学适配性与生物功能化的解决方案。

　　

随着人口老龄化加剧，大段骨缺损的功能重建成为骨科领域重大挑战。传统钛(Ti)植入物因弹性模量远高于天然骨组织，易引发应力屏蔽效应——即植入体过度承载导致周围骨组织萎缩，最终造成植入失败。现有制造技术如选择性激光熔化(SLM)虽能控制宏观孔隙，却难以复现天然骨中跨尺度的多级孔隙网络，这种由宏孔(>100μm)、微孔(1-100μm)和纳米孔(<1μm)组成的结构对细胞迁移、营养输送和矿化沉积至关重要。

针对这一技术瓶颈，中国某高校团队在《Journal of Materials Science》发表研究，创新性地将生物源溶剂莰烯(C₁₀H₁₆)应用于金属墨水配方，通过直接墨水书写(DIW)技术成功制备出具有仿生多级孔隙的钛支架。研究采用表面氢化钛粉(纯度≥99.7%，D=10μm)作为原料，以莰烯为溶剂并添加3wt%聚乙烯(PE)作为粘结剂，通过精确调控墨水流变特性、冷冻干燥和分段烧结工艺，实现了孔隙结构的跨尺度控制。

关键实验技术：研究团队通过流变测试确定墨水最佳打印温度窗口(43-50℃)，利用莰烯枝晶粗化形成微米孔，有机添加剂热解产生亚微米孔，不完全烧结产生纳米孔。采用压缩试验评估力学性能，通过SEM观察孔隙形貌，并开展体外细胞实验验证生物相容性。

Ink formulation and 3D printing：研究发现莰烯在43℃呈现明显粘度转折点，低于其熔点(50℃)，这种特性使墨水在低温保持高粘度确保形状保真度，升温后粘度骤降实现流畅挤出。添加PE可提高墨水剪切稀化指数至0.78，显著改善打印适性。

Rheological properties of the ink and 3D printing：通过调控烧结温度(1100-1300℃)和时间(2-4h)，获得三类典型孔隙结构：DIW定义的300-500μm宏孔通道、莰烯枝晶形成的20-50μm微孔、以及烧结产生的200-800nm纳米孔。孔隙梯度分布使能量吸收效率提升260%，优于均质多孔材料。

Conclusions：该支架弹性模量(3.8-11.9 GPa)与皮质骨完美匹配，完全消除应力屏蔽风险。体外实验显示，多级孔隙促进成骨细胞伪足延伸，矿化沉积速率提高3倍，表明其优异的骨诱导性。

这项由Guochao Mo、Siyu Wu等完成的研究，首次将莰烯的枝晶生长特性应用于金属支架制造，突破性地解决了传统DIW技术难以兼顾力学强度与生物活性的矛盾。其提出的"宏孔定向承载-微孔能量耗散-纳米孔生物激活"协同设计理念，为开发新一代仿生骨科植入物提供了全新范式。国家自然科学基金(51901084)和吉林省教育厅项目(JJKH20231163KJ)为本研究提供了支持。