用于大范围骨缺损的三重周期性最小表面支架：力学特性与骨再生潜力

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Triply periodic minimal surface scaffolds for large bone defects: mechanical characterisation and bone regeneration potential

再生骨支架的机械性能与骨再生潜力研究：以三重周期极小表面结构为例，评估了Schwarz Diamond、Gyroid、IWP和Primitive四种拓扑结构在不同孔隙率（50%、60%、70%）下的压缩力学特性及生物再生效果。实验结合有限元分析和计算流体动力学模拟，发现IWP结构在70%孔隙率时机械性能最优（弹性模量1200-1500 MPa），同时促进均匀骨密度分布和细胞迁移。不同固定系统（如内固定钉与外固定板组合）显著影响应力分布和骨再生模式，其中六钉内固定联合外固定板配置能实现应力重分布并提升骨密度。研究表明，拓扑结构选择与孔隙率优化是平衡机械强度与生物再生的关键，且需结合个性化固定策略。

　　骨组织是人体中最坚硬且具有弹性的器官之一，由矿化结缔组织构成，包含有机和无机成分，这些成分共同形成了骨骼结构。骨骼在人体中承担着多种基本功能，包括保护器官、提供肌肉附着点、支持运动，以及参与造血、代谢和内分泌调节。尽管骨组织具有显著的再生能力，能够支持骨骼发育和持续的重塑与修复过程，但在某些情况下，骨丢失的程度可能非常严重，使得外部支撑成为促进再生的必要条件。这种大范围的骨缺损通常源于手术切除感染组织、严重创伤或肿瘤切除等医疗状况。例如，骨肉瘤作为一种常见的原发性恶性骨肿瘤，主要影响儿童和青少年，其标准治疗方案往往涉及手术切除，可能导致关键尺寸的骨缺损，甚至在严重情况下需要截肢。患者面临高昂的医疗费用，甚至达到数万美元，这不仅对患者造成经济负担，还可能对患者及其家庭带来深远的生理、心理、社会和经济影响。

为了解决这些骨缺损问题，已经开发了多种手术治疗方法，包括骨搬运、骨压缩-牵张、假体植入以及使用多种类型的移植物来满足患者的骨组织需求。为了支持这一生物学再生过程并实现期望的愈合，提供一个机械稳定且能容纳必要细胞、生长因子及其他生物分子的环境至关重要。这些生物分子对于细胞迁移、增殖、附着和新生组织的血管化起着关键作用。在此背景下，三维支架被认为是治疗大范围骨缺损的有前景的解决方案。这些工程结构旨在提供临时的机械支撑，同时通过相互连接的多孔网络促进细胞浸润和血管生长。为了支持再生，这些支架必须具备特定的结构特征，包括孔隙率、孔隙分布和连接性等，以满足骨组织的机械需求并支持其再生过程。

传统支架设计往往忽视了孔隙大小和连接性的重要性，导致支架在满足生物学和机械需求方面存在局限。相比之下，三重周期性极小曲面（TPMS）结构因其机械定义的几何形状，已成为克服这些限制的有希望的方法。TPMS结构具有周期性排列的单元格，形成了相互连接的多孔网络，这有助于支持骨再生。本研究中，分析了四种TPMS几何结构：Schwarz Primitive（Primitive）、Schwarz Diamond（Diamond）、Schoen IWP（IWP）和Schoen Gyroid（Gyroid）。这些结构的数学公式基于隐式方程，描述了它们的几何特性。TPMS结构的波矢量和周期性参数决定了其几何形态和机械性能，这些参数根据单元格数量和尺寸进行调整，以实现所需的孔隙率。通过调整等值面的常数，可以控制TPMS结构的孔隙率，使其符合生物和机械需求。

TPMS结构的制造过程通常采用3D打印技术，以确保精确的几何控制。在本研究中，采用熔融沉积成型（FDM）技术，使用聚乳酸（PLA）作为打印材料。FDM技术能够生成复杂的几何结构，包括内部空腔和曲面通道，这在传统减法制造方法中难以实现。PLA因其良好的生物相容性、可生物降解性和适合承重应用的机械性能，成为骨支架制造的优选材料。此外，PLA在食品和药物管理局（FDA）的批准使其在生物医学应用中具有较高的可行性。

为了全面评估TPMS支架的机械性能，本研究结合了实验压缩测试和有限元模拟（FEA）。实验测试按照UNE-EN ISO 604标准进行，测量了不同TPMS结构和孔隙率下的压缩特性。同时，FEA模拟基于Abaqus软件，使用线性四节点四面体单元（C3D4）构建模型，并通过设定边界条件来模拟实际的压缩测试环境。模拟结果显示，随着孔隙率的增加，支架的弹性模量和压缩强度均有所下降。其中，IWP结构表现出最佳的机械性能，而Primitive结构则显示出最低的强度值。这些结果表明，TPMS结构的几何设计对支架的机械性能具有显著影响。

除了机械性能，TPMS支架的渗透性也是影响骨再生的重要因素。通过计算流体动力学（CFD）模拟，评估了不同TPMS结构的渗透性。结果表明，随着孔隙率的增加，渗透性整体上升。在50%和60%孔隙率下，Gyroid结构表现出最高的渗透性，而在70%孔隙率下，Primitive结构的渗透性超过了其他结构。然而，渗透性提升的同时，机械强度可能降低，这需要在支架设计中进行权衡。CFD分析还揭示了不同TPMS结构的流体路径复杂性，即“曲折度”。Primitive结构由于其相对简单的几何形态，表现出最低的曲折度，意味着流体流动路径更为直接。相比之下，Diamond和Gyroid结构的曲折度较高，可能限制了流体流动的效率，尽管它们的渗透性较高。这些结果强调了支架几何设计在调节机械性能和生物功能之间的平衡的重要性。

为了进一步评估TPMS支架在骨再生中的作用，本研究采用了一个机械驱动的骨再生模型。该模型基于细胞侵入和骨形成过程，模拟了支架在生物环境中的表现。结果表明，IWP结构在70%孔隙率下表现出最佳的再生潜力，能够提供足够的机械支撑，同时促进细胞迁移和组织形成。这表明，支架设计不仅要考虑机械性能，还需关注其对细胞行为和再生过程的影响。通过结合机械测试和CFD分析，本研究确认了TPMS结构在骨再生中的生物可行性。

此外，本研究还分析了不同固定系统对骨再生过程的影响。固定系统包括髓内钉、螺钉和外部钢板等，这些组件的配置显著影响了应力分布、细胞迁移和骨密度。例如，螺钉的排列位置和数量决定了应力的分布情况，而外部钢板则可能限制软组织来源的细胞迁移。在分析中，不同固定系统配置下的应力分布显示出明显的差异，其中包含髓内钉和外部钢板的组合表现出更为均匀的应力分布。这些结果表明，固定系统的优化对于实现支架的机械稳定性和促进骨再生至关重要。

在材料选择方面，PLA的线性弹性和各向同性特性虽然简化了模拟过程，但并未完全反映PLA的实际行为，包括其粘弹性特征和在挤出过程中可能引入的各向异性。因此，未来的模型可能需要采用更复杂的本构模型，如正交各向异性、粘弹性或弹塑性模型，以提高预测准确性。此外，支架的降解过程也对骨再生具有重要影响，因为降解会影响溶解、流体吸收和机械稳定性，从而间接影响生物学结果。因此，未来的研究应关注降解效应的建模，以提高支架长期性能的预测能力。

尽管本研究取得了一定成果，但仍存在一些局限性。例如，模拟过程中假设了PLA的线性弹性行为，忽略了其实际的粘弹性特征。此外，支架的降解过程被简化，未考虑表面和体内的不同降解机制。为了进一步提高模型的准确性，未来的研究可以引入更复杂的材料模型，并考虑支架降解对再生过程的影响。同时，为了实现个性化治疗，还需要结合患者特定的影像数据、材料选择和生物学模型，以优化支架设计。

总之，本研究通过综合实验、计算和机械生物学方法，深入探讨了TPMS支架在大范围骨缺损治疗中的应用潜力。研究结果表明，IWP结构在70%孔隙率下表现最佳，能够在机械性能和生物功能之间取得平衡。此外，固定系统的配置对支架的机械稳定性和再生效果具有显著影响，因此需要根据患者的特定解剖和临床需求进行优化。通过结合TPMS结构设计、实验验证和机械生物学模型，本研究为开发具有临床应用价值的骨再生支架提供了理论依据和技术支持。未来的研究可以进一步拓展材料范围，考虑不同机械性能的生物材料，并整合骨重塑机制，以实现更精确的预测和更广泛的临床应用。