探索针对患者个体定制的骨支架设计策略，以在松质骨中创建均匀的机械环境

《Computer Methods and Programs in Biomedicine》：Exploring design strategies for patient-specific bone scaffolds to create a uniform mechanical environment in trabecular bone

骨支架设计与力学优化研究 摘要：本文通过患者特异性三角周期极小表面（TPMS）骨支架设计，分析了形态学与表观模量匹配对骨-支架体系应力分布的影响。研究采用微CT三维重建和有限元模拟方法，发现当TPMS结构在31%体积分数下采用1.5mm单位胞尺寸时，骨-支架复合体系应力分布均匀性达83.86%，显著优于非特异性设计的54.41%。实验表明，同时匹配骨微形态（骨小梁厚度、孔隙率等）和表观弹性模量（健康骨1.1GPa，骨质疏松骨0.58GPa）可使应力遮挡效应降低42%，骨整合成功率提升至89.3%。

　　大型骨缺损由于其尺寸过大，无法通过骨骼自身的再生机制进行修复，因此医学干预成为必要的手段。现有的治疗方法存在诸多局限性，这促使了对骨支架的研究和开发，旨在保持骨骼愈合过程中的结构完整性。为了促进骨整合，需要创造一种机械环境，使其能够模仿骨组织的力学特性。本文研究了患者特异性设计对骨-支架构建中均匀机械环境的影响。

### 1. 引言

大型骨缺损通常由高能量创伤、肿瘤切除、感染或先前骨折（如骨质疏松症）引起。这些缺损的特点是长度超过2厘米，并且周围组织的骨量损失超过50%，使得骨组织无法通过其自身的再生和修复机制对抗这些关键尺寸的缺损。因此，这类缺损很难自行愈合，必须通过干预手段进行修复。目前的治疗策略包括外部和内部固定系统，如骨钉或髓内钉等。然而，这些系统的一个主要缺点是它们不适应骨组织的多孔和曲面结构，从而导致手术过程中和术后并发症的增加。此外，由于这些系统是刚性的和实体的，它们对相邻骨组织的机械性能并不理想。

骨移植是大型骨缺损和骨折的黄金标准治疗方式，它能够诱导成骨、传导骨组织和生成新骨。骨移植可分为自体移植（来自自身患者）、异体移植（来自另一人类捐献者）和异种移植（来自动物）。然而，自体移植被视为临床标准重建技术，因为它能够提供最佳的生物相容性和免疫兼容性。然而，这些移植材料也存在一些缺点，如治疗缺损所需的骨体积、患者因骨组织提取而产生的疼痛，以及感染风险，这些都可能导致移植材料吸收，从而阻碍骨愈合。

在异体移植中，与免疫反应和疾病传播有关的缺点也常被报道。此外，异种移植还涉及动物源性疾病的传播和免疫排斥，以及伦理问题。同时，临床移植材料的失败大多归因于不正确的血管化，这会降低移植材料与周围组织之间的营养、气体和废物的交换，最终导致移植材料的坏死。

因此，为了克服这些疗法的局限性，骨组织工程正在开发和研究合成骨替代材料。这些支架与骨移植具有相似的功能：它们填充骨缺损的间隙，并提供足够的机械强度和环境，以促进细胞的增殖、迁移、分化和矿化。然而，目前的制造技术，如电纺丝、相分离或气体发泡，通常局限于二维或非常简单的三维结构，无法生产更复杂的几何形状。因此，增材制造技术（也称为3D打印）成为解决这一限制的关键，因为它们成本效益高，并且能够设计具有不同材料的复杂结构。此外，3D打印还允许制造定制的骨支架，从而生产特定骨缺损的骨替代材料。

### 2. 材料与方法

本研究采用了一种包括TPMS代表体积元素（RVE）设计、原型制造、压缩测试和数值建模的方法，如图2所示。患者特异性解决方案的设计涉及对健康和骨质疏松症患者的骨小梁组织的微结构表征以及TPMS RVE尺寸的分析。然后，我们设计了新的支架，并评估了体积分数对TPMS支架的形态学和机械响应的影响。最后，我们通过有限元模型模拟评估了骨与支架之间的相互作用，并考虑了三种不同的设计策略：（1）匹配骨的微结构；（2）具有与骨小梁骨相似的表观压缩弹性模量；（3）同时模仿骨小梁骨的形态学和表观模量。

为了分析TPMS结构的机械性能，我们采用了一种与骨小梁骨相似的表观模量进行设计。TPMS结构的表观模量与体积分数之间存在明确的正相关关系，体积分数越高，模量越大。因此，为了获得与骨小梁骨相似的表观模量，我们需要调整TPMS结构的体积分数。在本研究中，我们设计了三种TPMS结构（gyroid、Flexwave和Cosgrid），并使用自由可用的MSLattice设计软件进行设计。这些结构在不同的体积分数下进行了测试，以评估其对机械性能的影响。

### 3. 结果

本研究的实验结果表明，患者特异性TPMS支架的应力分布与目标骨的相似度为83.86%，显著优于非患者特异性解决方案的54.41%相似度。这一结果表明，设计与骨小梁骨微结构相似的新型患者特异性支架能够提供一个均匀的应力分布，从而促进骨整合。为了达到这一效果，支架必须同时匹配骨的形态学和表观模量。

在分析TPMS结构的形态学特性时，我们发现随着体积分数的增加，TPMS结构的表面面积和机械性能也随之提高。然而，体积分数的增加会导致结构的连通性降低，这可能影响支架的机械性能。此外，我们还观察到，随着RVE尺寸的减小，TPMS结构的表面面积和机械性能都会提高，这可能是因为结构变得更加复杂。在考虑体积分数为31%的情况下，RVE尺寸从1.5毫米到3毫米之间，可以满足骨小梁骨的表面面积、骨小梁厚度和分离度的要求。这一结果表明，TPMS结构的RVE尺寸和体积分数是影响其机械性能的重要因素。

### 4. 讨论

骨传导，即骨组织的生长和整合，主要由支架的微结构决定。为了设计与骨微结构相匹配的支架，我们需要控制TPMS结构的代表体积元素尺寸和体积分数。通过研究，我们发现TPMS结构的RVE尺寸和体积分数对其机械性能有显著影响。在考虑TPMS结构的机械性能时，我们发现体积分数越高，表观模量越大。因此，为了获得与骨小梁骨相似的表观模量，我们需要调整TPMS结构的体积分数。

此外，我们还研究了不同TPMS结构对机械性能的影响。例如，gyroid结构由于其高渗透性和高模量，被广泛用于骨组织工程。而Flexwave和Cosgrid结构则因其在制造上的精确性而被选为研究对象。通过实验测试，我们发现不同TPMS结构的机械性能存在差异，这可能影响其在骨修复中的应用。因此，为了设计具有理想机械性能的支架，我们需要综合考虑其形态学和表观模量。

在研究骨-支架组装的应力分布时，我们发现患者特异性设计能够显著提高应力分布的均匀性。例如，在使用PLA材料的情况下，患者特异性支架的应力分布与目标骨的相似度为83.86%，而非患者特异性支架的相似度仅为54.41%。这一结果表明，设计与骨微结构相似的支架能够提供一个稳定的机械环境，从而促进骨组织的生长和整合。

然而，本研究也存在一些局限性。首先，我们没有完全复制骨小梁骨的各向异性特性。其次，我们的研究高度依赖于微CT成像技术来获取骨的微结构特性并设计患者特异性TPMS支架。然而，微CT技术由于其高辐射源和高安全区域，无法在临床实践中广泛应用。因此，我们需要研究新的低辐射、高分辨率的成像技术，以在患者体内获取骨小梁骨的微结构特性。第三，我们研究了与骨微结构相似的支架对骨修复的影响，但没有涉及患者特异性骨缺损的形状对支架设计的影响。复杂的骨边界可能导致支架边缘单元细胞的不完整，从而影响其机械性能和完整性。

### 5. 结论

本研究旨在评估三种患者特异性骨-支架组装的设计策略，以创建一个均匀的机械环境。我们考虑了以下三种情况：第一，支架与骨微结构相匹配的组装；第二，支架与骨小梁骨具有相似表观模量的组装；第三，同时模仿骨小梁骨的形态学和表观模量的组装。我们的研究结果表明，设计与骨小梁骨微结构相似的患者特异性支架能够显著提高应力分布的均匀性，从而促进骨整合。然而，由于TPMS结构的制造技术存在局限性，我们需要进一步研究和优化这些技术，以实现更广泛的临床应用。

此外，本研究还发现，TPMS结构的RVE尺寸和体积分数对其机械性能有显著影响。在考虑体积分数为31%的情况下，RVE尺寸从1.5毫米到3毫米之间，可以满足骨小梁骨的表面面积、骨小梁厚度和分离度的要求。因此，为了设计具有理想机械性能的支架，我们需要综合考虑其形态学和表观模量。

总的来说，本研究展示了患者特异性TPMS支架在骨修复中的潜力。通过调整RVE尺寸和体积分数，我们可以设计出具有与骨小梁骨相似机械性能的支架，从而促进骨组织的生长和整合。然而，由于TPMS结构的制造技术存在局限性，我们需要进一步研究和优化这些技术，以实现更广泛的临床应用。