综述：假体材料的演变与下一代动态胸廓假体的增材制造

这篇综述系统回顾了胸壁重建材料的演进历程，重点探讨了增材制造（AM/3D打印）技术在定制化胸廓假体中的应用，提出了具有软骨模拟功能的动态响应胸廓（4D打印）概念，并分析了实现这一技术的材料学挑战与临床转化前景。

　　

1. 引言

胸廓是由12块胸椎、12对肋骨、肋软骨和胸骨组成的复杂结构，主要功能是保护呼吸器官并维持胸腔力学稳定性。传统胸壁重建采用钛板、合成网片等刚性材料，但存在呼吸受限（并发症率>40%）和美学效果差等问题。3D打印技术通过患者特异性定制和拓扑优化特性，可制造具有解剖匹配性和轻量化结构的胸廓假体，但早期产品缺乏肋软骨的仿生功能。

2. 3D打印前的胸廓重建材料与方法

18世纪以来，胸壁重建材料经历了从生物网片（如聚四氟乙烯PTFE）、钛网到复合材料的演进。钛合金（Ti6Al4V）因高生物相容性成为主流选择，但其刚性特性导致呼吸受限。聚醚醚酮（PEEK）因弹性模量（3.6 GPa）接近骨组织，成为新兴替代材料。这些材料通过传统工艺制造时难以实现复杂结构，而增材制造技术可精确控制假体厚度（影响最大剪切应力和扭转变形），通过调整质心轨迹优化力学性能。

3. 增材制造胸廓与手术导板

2015年首例3D打印钛合金胸廓在西班牙萨拉曼卡大学医院成功应用。现代AM技术可制造带锁定肋端桩的个性化假体（图3a-c），其多孔结构促进组织长入，沟槽设计简化术中定位。术前3D打印解剖模型（图3d-i）能规划切除边界，减少手术时间30%以上。例如，带"希腊波浪"弹簧结构的假体（图1c-d）可恢复肋骨56%的自然运动幅度，但长期疲劳性能仍需验证。

4. 下一代动态胸廓

4.1 动态胸廓概念

针对儿童患者生长需求，研究者提出可随生理变化调整尺寸的动态胸廓（图4b）。现有弹簧响应假体虽能模拟呼吸运动，但无法自主适应胸廓发育。形状记忆材料（如镍钛合金）和4D打印技术（刺激响应变形）被视为解决方案，其超弹性特性可匹配10⁷
次/年的呼吸循环载荷。

4.2 动态胸廓的打印可行性

多材料3D打印（图5a-b）为制造兼具刚性（肋骨）和弹性（软骨）区域的假体提供可能。Ge等通过光固化甲基丙烯酸酯共聚物打印的4D弹簧结构（图6a-c）在60°C刺激下实现形状记忆，验证了材料编程可行性。人工智能（AI）可通过闭环反馈优化打印参数，而计算材料工程（ICME）能加速开发刺激响应材料。当前挑战包括金属/聚合物界面结合强度（表3）和临床认证标准缺失。

5. 挑战与展望

5.1 时间与成本

定制假体平均需3周制作周期，成本约4000英镑。集中化医疗-工程团队协作可缩短流程，AI技术有望进一步优化。

5.2 模拟与实验

呼吸力学模拟存在生物组织变异性难题。新型数字克隆（DigitalClone）工具可预测材料疲劳行为，但动态假体的长期耐久性数据仍缺乏。

5.3 技术标准

目前仅ASTM F2026等少数标准适用于定制植入物。中国NMPA要求个案审批，动态假体需建立新的认证体系。

5.4 生物可降解材料

现有降解材料仅适用于≤1 cm缺损，扩大至临界尺寸缺损（>3 cm）需解决机械强度与降解速率匹配问题。

5.5 多材料界面

金属/陶瓷界面热应力（如TiB₂
/Ti6Al4V）和金属/聚合物结合强度（316L/PLA）仍是技术瓶颈，需开发梯度功能材料过渡层。

6. 结论

从生物网片到4D打印动态胸廓，胸壁重建技术已实现革命性跨越。尽管在材料界面、疲劳性能和监管框架方面存在挑战，增材制造与智能材料的结合将为下一代仿生胸廓假体开辟道路。