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为探究 3D 打印钛植入物加速骨整合的生物力学机制，西安交通大学研究人员开展 “Microscale bone interlocking enhances osseointegration strength on the rough surface of 3D-printed titanium implants” 研究。结果显示其粗糙表面促进微尺度骨联锁、分散骨应变。该研究为临床应用提供依据8。
在口腔医学领域，牙齿缺失是一个常见且困扰众多患者的问题。钛植入物作为一种有效的牙齿替代方案，受到了广泛关注。尤其是 3D 打印技术兴起后，3D 打印钛植入物展现出加速骨整合的优势，能让植入物更快地与人体骨骼融合，提高种植成功率。然而，其加速骨整合背后的生物力学机制却一直是个谜。这一谜团阻碍了 3D 打印钛植入物的标准化生产和更广泛的临床应用，就像迷雾遮挡了前进的道路，使得医生在使用时缺乏足够科学依据，患者也难以获得最佳治疗效果。
为了驱散这层迷雾，来自西安交通大学的研究人员挺身而出，开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《BMC Oral Health》杂志上，为该领域带来了新的曙光。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是制备不同类型的植入物，通过选择性激光熔化（SLM）技术制备 3D 打印钛植入物，同时采用传统的计算机数控加工后再进行喷砂和酸蚀（CNC-SLA）的方法制备对照植入物；其次利用扫描电子显微镜、表面轮廓仪等进行表面表征分析；还通过动物实验，将植入物植入新西兰兔股骨髁，进行组织学分析和去除扭矩分析；最后构建微尺度有限元（FE）模型进行模拟分析。
下面来看具体的研究结果：
- 表面特性：SLM 植入物表面呈现出众多直径数十微米的球形结构，其表面粗糙度参数如平均粗糙度（Sa）、均方根粗糙度（Sq）、最大高度（Sz）和表面积扩展比（Sdr）均显著大于 CNC-SLA 植入物。而两者的表面化学成分都与 Ti-6Al-4V 相符，且表面润湿性都不具有明显亲水性1。
- 微尺度骨联锁：在植入新西兰兔股骨髁后，虽然在各个时间点两种植入物的骨整合水平（BV/TV 和 BIC）以及骨小梁形态参数（Tb.Th、Tb.Sp 和 Tb.N）无显著差异，但 SLM 植入物在第 2 周后出现了微尺度骨联锁现象，且其骨联锁深度（36.95 ± 8.40μm）显著大于 CNC-SLA 植入物（1.12 ± 0.64μm）23。
- 去除扭矩和有限元模拟：在第 1 周，两种植入物的去除扭矩无显著差异；第 2 周时，SLM 植入物的去除扭矩（8.63 ± 0.36 N cm）显著大于 CNC-SLA 植入物（4.42 ± 1.11 N cm），且与 CNC-SLA 植入物第 8 周的去除扭矩（7.12 ± 1.34 N cm）相当；第 8 周时，SLM 植入物的去除扭矩（27.00 ± 2.94 N cm）大幅高于 CNC-SLA 植入物。有限元分析表明，SLM 植入物表面的球形结构能将应变分散到骨组织中，降低了骨 - 植入物界面的应变集中，其骨八面体剪应变最大值相比 CNC-SLA 植入物降低了 53%，骨应变强度最大值降低了 55%45。
- 多向加载时的骨应变分布：在模拟多向加载实验中，SLM 植入物组的骨应变集中在表面球形结构周围，骨 - 植入物界面滑动风险降低；而 CNC-SLA 植入物组的骨应变峰值出现在界面处。在较小加载角度时，SLM 组的最大骨应变低于 CNC-SLA 组，但加载角度接近 90 度时则相反，且相同加载条件下 SLM 组的平均骨应变更大，这意味着 3D 打印钛植入物能更有效地将外部加载传递到周围骨组织67。
研究结论表明，3D 打印钛植入物的粗糙表面能促进微尺度骨联锁，减轻植入物周围骨应变集中，这就是其增强骨整合强度的生物力学机制。在讨论部分，研究人员进一步指出，微尺度骨联锁是影响 3D 打印钛植入物骨整合过程中载荷传递的关键因素，它使得植入物与骨组织的结合更紧密，承载能力更强。同时，研究中使用的有限元模型虽存在一定局限性，但并不影响主要结论，未来可基于更临床相关的成像技术进行改进。
这项研究意义重大，它为 3D 打印钛植入物的表面质量标准化提供了关键指导，有助于推动其在临床口腔种植领域更科学、更广泛的应用，从而让更多牙齿缺失患者受益，提高他们的生活质量。
