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在骨组织工程中，设计能模拟骨各向异性力学性能的 3D 打印支架颇具挑战。研究人员开展了 “Mechanical Design of 3D Printed Bone Tissue Scaffolds with Tunable Anisotropy” 的研究，发现改变 BC - Tetra 单元细胞的纵横比可调控支架力学性能，成果有助于改进组织支架设计。
在医学领域，骨骼损伤修复一直是备受关注的难题。随着 3D 打印技术的兴起，人们看到了定制化骨组织支架的希望。然而，要设计出能完美模拟天然骨力学性能的支架却困难重重。天然骨具有各向异性的力学特性，在不同方向上的强度和弹性各不相同，而现有的 3D 打印支架大多是各向同性的，无法适应人体复杂的力学环境。例如，在脊椎融合手术中，传统支架难以有效支撑并促进骨骼生长，还可能出现应力屏蔽等问题，影响治疗效果。为了解决这些问题，研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Biomedical Engineering Advances》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先是晶格设计，利用 Abaqus 软件结合 Python 自动化生成具有不同纵横比的 BC - Tetra 单元细胞，并构建成晶格结构。其次，使用数字光处理（DLP）技术进行支架的打印制造，选用生物相容性良好的 E - Shell 600 树脂。此外，通过机械测试，依据 ISO - 13314 标准协议进行单轴压缩试验，测定支架的力学性能。同时，运用有限元分析（FEA）计算有效弹性模量并观察应力分布。
在研究结果方面：
- 各向异性晶格弹性模量：研究发现，BC - Tetra 单元细胞晶格的有效纵向弹性模量随单元细胞纵横比增加而增加，有效横向弹性模量则随纵横比增加而降低。例如，对于 70% 孔隙率的晶格，拉伸单元细胞（纵横比为 2.7）的纵向弹性模量比立方单元细胞（纵横比为 1）高 2.21 倍，而横向弹性模量仍保留 60% 以上。这表明可通过改变单元细胞设计来调控晶格的各向异性力学性能，以更好地模拟骨的力学特性。
- 各向异性晶格应力 - 应变响应：FEA 结果显示，载荷主要由与加载方向对齐的梁承担。在纵向加载时，高纵横比单元细胞的晶格应力分布更均匀，模量更高；横向加载时，低纵横比单元细胞的晶格应力更高。机械测试表明，高纵横比结构在纵向的承载能力高于横向，失效通常由加载方向梁的屈曲引发。
- 支架缩放效应：研究不同单元细胞数量的晶格发现，随着单元细胞数量增加，晶格的相对机械性能会发生变化。6×6×6 的晶格比 3×3×3 的晶格孔隙率更低，有效纵向弹性模量更高，这主要是由于打印过程中梁直径的变化，6×6×6 晶格中心梁直径更大，导致孔隙率降低、弹性模量增加。
- 晶格设计参数影响：孔隙率、梁直径和单元细胞纵横比对晶格力学性能有显著影响。降低孔隙率可提高有效弹性模量，但会减少组织生长空间。梁直径的影响较为复杂，低孔隙率设计中，较大梁直径可提高纵向弹性模量；高孔隙率设计中，较小梁直径反而使有效弹性模量更高。较高纵横比会使纵向弹性模量增加，横向弹性模量降低或不变。
- 各向异性支架表征：设计具有拉伸单元细胞的分层支架，去除中心区域单元细胞形成大孔隙，可改善打印一致性，促进血管化。分层支架的力学性能随孔隙率线性变化，通过改变大孔隙尺寸可调节支架整体刚度，以适应不同生理需求。这些支架在刚度方面与其他技术制造的支架相当，且能更好地承受人体非对称载荷。
研究结论和讨论部分指出，通过调整单元细胞纵横比可有效调控分层组织支架的打印性和有效机械性能，适用于椎体融合应用。引入分层孔隙可改善梁直径的一致性，制造出刚度在 3.9 - 8.4 kN/mm 的支架，满足骨融合需求。然而，研究也存在一些局限性，如无法直接观察支架内部结构，材料和打印过程存在一定限制等。未来可利用微计算机断层扫描（μCT）等技术进一步研究，同时考虑使用功能梯度梁设计、数字图像相关技术等优化支架设计。此外，还需将特定部位的椎体载荷分析与单元细胞纵横比优化相结合，开展更多体外和体内实验，以充分验证该技术的生物相容性和有效性。总体而言，这项研究为 3D 打印骨组织支架的设计和制造提供了新策略，有望推动再生医学治疗的发展，根据患者具体需求定制更高效的支架结构。
