力学优化型非降解人工骨：用于患者匹配的支架引导骨再生新策略

《Nature Communications》：Mechanobiologically-optimized non-resorbable artificial bone for patient-matched scaffold-guided bone regeneration

本刊推荐：针对传统骨修复中金属板应力遮挡和影像干扰等问题，研究团队开发了基于氮等离子体浸没离子注入（PIII）处理的激光烧结聚醚酮（LS-PEK）永久性人工骨支架。该支架通过三周期极小曲面（TPMS）结构设计实现力学优化，结合β-磷酸三钙（β-TCP）陶瓷核心与脂肪源性干细胞（ADSC）水凝胶，在绵羊下颌骨节段性缺损模型中展现出良好的骨整合与骨传导性能，为免金属板固定的骨再生提供了新范式。

　　

在全球范围内，临界尺寸骨缺损的治疗一直是骨科和颌面外科领域的重大挑战。据统计，美国每年有超过160万例骨移植手术用于治疗此类缺损，医疗费用高达2440亿美元。特别是在颌面部肿瘤切除术后形成的节段性下颌骨缺损，由于咀嚼活动产生的高强度拉伸和剪切应力，加上放疗后金属植入物导致的影像学伪影等问题，使得这类缺损的修复尤为困难。

传统方法主要采用带血管的自体骨移植（如取自腓骨、骨盆或肩胛骨）结合钛金属板固定，但存在供区并发症、骨不连（失败率高达60%）以及金属板引起的应力遮挡效应等问题。更棘手的是，高弹性模量的金属植入物会干扰术后放疗的剂量分布，并影响影像学随访中对肿瘤复发的早期发现。

针对这一难题，Jonathan R. Clark与Jeremy M. Crook团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，提出了一种基于力学优化设计的非降解型人工骨解决方案。该研究通过三步法验证了材料的可行性：首先通过锯齿状圆柱体植入实验证明经PIII处理的LS-PEK具有与激光束粉末床熔融（PBF-LB）钛相当的骨整合能力；其次在非节段性下颌骨缺损模型中，LS-PEEK凭借更高的表面粗糙度展现出优于熔融长丝制造（FFF）PEEK的骨传导性；最后通过肩胛骨生物反应器模型证实β-TCP与ADSC负载的GelMA能诱导软骨内成骨。

研究核心是设计了一种三层结构的人工骨：采用TPMS单螺旋结构（gyroid）的LS-PEK框架，其弹性模量（2,400 MPa）与骨组织（12,000 MPa）更为匹配；内部填充3D打印β-TCP网格作为钙库；以及ADSC负载的GelMA水凝胶提供成骨诱导微环境。通过虚拟手术规划（VSP）和有限元（FE）分析对支架进行力学优化，使其在体外力学测试中承受力达到1533 N，远超人类前磨牙最大咬合力（450 N）。

关键技术方法包括：基于计算机断层扫描（CBCT）的虚拟手术规划（VSP）；激光烧结（LS）增材制造聚醚酮（PEK）框架；氮等离子体浸没离子注入（PIII）表面改性；β-磷酸三钙（β-TCP）陶瓷网格的光聚合打印；脂肪源性干细胞（ADSC）与明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶的复合培养。实验采用6只7-8岁雌性绵羊，建立6厘米下颌骨节段性缺损模型，植入周期为6-12个月。

材料选择与表面处理增强骨整合、骨传导和骨诱导

通过三阶段实验系统评估材料性能：第一阶段显示PIII处理LS-PEK在0-24μm和24-80μm区域的骨接触面积与PBF-LB钛无显著差异（p=0.24，p=0.93）；第二阶段中LS-PEK支架的拉拔力达到228 N，显著优于FFF-PEEK；第三阶段在肩胛骨生物反应器模型中观察到β-TCP与ADSC-GelMA组出现软骨内成骨，这是缺氧环境下理想的成骨途径。

SGBR患者匹配人工骨的力学生物学设计

设计过程集成VSP和FE分析，采用扩展有限元法（XFEM）预测裂纹扩展路径。力学模拟显示，骨整合后应力分布从螺钉孔区域转移至下颌骨后部，峰值冯·米塞斯（VM）应力从73 MPa降至65 MPa，最大主应力（MPS）分布更均匀，降低了脆性骨折风险。

节段性骨缺损重建的持久体内生物力学性能

所有绵羊术后立即恢复口服摄入，咀嚼速率从术前的120次/分钟增至129次/分钟，体重平均增加3.5公斤。系列CBCT显示新骨体积从1.10 cm³增至3.37 cm³，占支架可用体积的11%-38%。组织学检查未见胶囊形成或化脓现象，咀嚼肌与人工骨紧密粘连。

植入体分析证实骨整合可靠尽管成骨程度不一

μCT显示LS-PEK框架内新骨体积（0.93-2.71 cm³）显著高于β-TCP网格内（0.08-0.74 cm³）。免疫荧光显示血管性血友病因子（vWF）在植入体-宿主骨界面高表达，免疫组化显示CD206（M2型巨噬细胞标志物）在β-TCP周围呈中度阳性，表明抗炎反应主导。

成骨依赖性生物力学

离体力学测试中，骨整合样本承受最大力达641 N，与非植入侧（601 N）无显著差异（p=0.042）。FE模拟显示骨整合后载荷通过骨-植入物界面传递而非依赖螺钉固定，验证了应力驱动成骨机制。

应力依赖性成骨

数值模拟与CBCT数据高度吻合（R²=0.96），显示新骨主要在高压应力区形成。24周时预测骨质量（3.062 g）与实测值（3.020 g）误差仅1.4%，证实力学刺激对成骨的关键作用。

该研究首次在大型动物模型中验证了免金属板固定的永久性支架引导骨再生策略的可行性。与传统可降解支架相比，LS-PEEK的持久力学性能避免了降解-成骨速率匹配的难题，其放射透明性更适用于肿瘤术后放疗患者。虽然β-TCP降解速率存在个体差异，但研究表明支架的力学稳定性主要依赖骨整合而非完全骨长入。未来可通过添加骨形态发生蛋白2（BMP-2）等生长因子进一步优化成骨效果，但需权衡其对肿瘤复发的潜在风险。

这项研究为临界尺寸骨缺损修复提供了新的技术路径，特别是对于需要术后放疗的颌面部肿瘤患者具有重要意义。通过结合力学优化的永久支架与生物活性可降解组分，实现了在极端机械负荷环境下的功能性骨再生，为临床转化奠定了坚实基础。