3D打印Ti6Al4V骨螺钉的生物力学性能突破：骨质疏松性骨折固定新策略

针对骨质疏松性骨折固定中传统螺钉易松动的问题，印度蒂亚加拉亚工程学院团队通过选择性激光熔化(SLM)技术制备3D打印钛合金骨螺钉，系统评估了不同骨密度(BMD)和性别因素对螺钉拔出强度的影响。研究发现增材制造(AM)螺钉具有微孔粗糙表面，显著提升羟基磷灰石沉积和骨整合能力，为个性化骨科植入物设计提供新思路。

　　

随着全球老龄化加剧，骨质疏松性骨折患者数量激增，预计到2040年相关骨折发生率将翻倍。传统金属骨螺钉在低骨密度条件下易出现固定失效，导致高达180亿美元的医疗负担。问题的核心在于现有植入物难以适应骨质疏松患者的骨代谢特点——骨矿物密度(BMD)降低直接影响螺钉的拔出强度和骨-植入物界面稳定性。更棘手的是，临床发现性别差异会显著影响固定效果，但现有研究多采用聚氨酯泡沫模拟骨密度，无法反映真实生物环境中的复杂相互作用。

印度蒂亚加拉亚工程学院联合Fortis医院的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》发表突破性研究，首次将增材制造(AM)技术应用于骨科螺钉的个性化设计。团队采用选择性激光熔化(SLM)技术制备钛合金(Ti6Al4V)皮质骨螺钉，通过6-48月龄不同性别猪股骨构建骨质疏松模型，结合双能X线吸收测定法(DXA)精确量化BMD，系统比较了AM螺钉与传统不锈钢/钛螺钉在模拟体液(SBF)中的生物矿化能力和力学性能差异。

关键技术包括：1）SLM技术制备具有微孔结构的钛螺钉；2）采用屠宰场获取的不同年龄/性别猪股骨建立骨密度梯度模型；3）DXA检测结合生物力学测试评估拔出强度；4）扫描电镜(SEM)观察羟基磷灰石沉积形貌。

Porcine femur bone detailing
研究选用与人类骨骼特性相似的猪股骨，按性别和年龄(6/24/48月)分组建立骨质疏松模型。DXA检测证实老龄雌性组BMD最低(0.72±0.05 g/cm²)，与人类骨质疏松数据高度吻合。

Micromorphology of different cortical screws
SEM显示AM螺钉表面形成规则微孔结构(孔径20-50μm)，SBF浸泡后羟基磷灰石沉积量较传统螺钉增加217%。粗糙度分析(Ra=4.8±0.3μm)显著高于机加工钛螺钉(1.2±0.1μm)。

生物力学性能
在最低BMD组中，AM螺钉拔出强度达362±28N，比传统钛螺钉提高38%。性别差异分析显示，雌性骨样本中AM螺钉的稳定性优势更显著(P<0.01)。

这项研究首次揭示BMD与性别因素对AM螺钉性能的协同影响。SLM技术制造的钛螺钉通过微孔结构促进骨长入，其表面羟基磷灰石快速沉积能力尤其适合骨质疏松患者。值得注意的是，雌性动物骨组织中AM螺钉的性能优势更突出，这为女性骨质疏松患者的个性化治疗提供直接依据。从临床转化角度看，该技术可显著降低8.9%的翻修手术风险，其生物固定理念对椎弓根螺钉等复杂植入物设计具有普适性参考价值。