PLA螺旋支架在长骨骨折治疗中的力学调控与骨修复性能评估：数值模拟与实验研究

本研究针对长骨骨折修复中支架材料力学性能与骨再生调控的关键问题，通过实验与有限元模拟相结合的方法，评估了3D打印PLA(聚乳酸)螺旋支架的承载能力及其对骨愈合过程的力学调控作用。研究发现纯PLA支架不仅能承受长骨骨折的高载荷，还能通过优化孔隙结构降低骨折间隙的机械刺激强度，减少骨碎片间的不良应变集中，为生物可降解支架的临床应用提供了重要理论依据。

　　

在骨科临床实践中，大段骨缺损的修复始终是重大挑战。传统金属植入物存在应力遮挡效应和二次手术取出等问题，而生物可降解材料如聚乳酸(PLA)虽具备降解优势，却常因力学强度不足被认为不适合承重部位。更关键的是，支架的微观结构直接影响细胞分化微环境——过高的机械刺激会导致纤维组织形成，而过低则无法激活成骨。这种力学调控(Mechanoregulation)的精确平衡，成为骨组织工程领域亟待解决的科学问题。

针对这一难题，格但斯克工业大学的研究团队在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》发表创新研究。他们采用融合沉积成型(FDM)技术制备具有螺旋(Gyroid)拓扑结构的PLA支架，通过数字图像相关(DIC)技术进行力学测试，结合基于Prendergast理论的有限元(FEM)模型，首次系统评估了该支架在长骨骨折修复中的双重作用：力学承载与生物调控。

主要技术方法
研究首先通过Micro-CT验证支架的几何精度，采用Zwick/Roell试验机进行压缩测试，使用Abaqus软件建立包含1,291,359个单元的有限元模型。骨愈合模拟采用迭代算法，每日更新组织属性，考虑双相组织的孔隙弹性行为，机械刺激量S由八面体剪应变γ和间质液流速v_if共同决定(S=γ/0.0375 + v_if/3)。

材料参数验证
对比压缩实验与模拟数据发现，PLA丝材厂商提供的弹性模量(2300 MPa)低估了实际打印结构的刚度，最终校准值为2800 MPa。这种差异源于打印过程中层间融合导致的各向同性强化效应。值得注意的是，支架水平应变响应对摩擦系数不敏感，成为参数校准的可靠指标。

骨修复动力学
在300N载荷(相当于青少年单腿承重)的模拟中，支架展现出独特的力学调控特性：

1. 刺激分布均质化：骨折间隙的机械刺激S普遍低于0.267，直接促进成骨分化，这与传统无支架骨折中皮质骨区域S>3(导致纤维化)形成鲜明对比
2. 双阶段愈合特征：前10天由八面体剪应变主导，后期转为流体流速调控。高载荷组(300N)的软骨向骨转化需8周，比低载荷组(150N)延长5周
3. 应力屏蔽规避：支架骨架的von Mises应力峰值仅18.7 MPa，远低于屈服强度(60 MPa)，证实纯PLA的力学可靠性

结构功能协同效应
螺旋结构的优势在多个维度显现：

• 生物力学方面：曲面单元有效分散应力，避免正交支架常见的局部应力集中
• 生物调控方面：连续孔道促进MSCs迁移，与体外实验结论[24,25]一致，中心区域c(MSC浓度)>0.8时成骨效率提升40%
• 临床适配性：47.6%的孔隙率兼顾力学强度与营养传输，壁厚0.6 mm满足FDM打印精度限制

讨论与展望
该研究突破性地证实：即使不依赖外部固定器，纯PLA支架也能通过结构优化满足长骨修复的力学需求。其价值在于：

1. 挑战材料认知：传统认为PLA强度不足的观点需修正，打印工艺可提升材料性能20%以上
2. 调控机制创新：揭示支架通过"力学绝缘"效应阻断皮质骨间的异常应变传递
3. 临床转化提示：建议青少年患者采用分阶段负重策略，初期限制载荷在150N以内

研究存在的局限性包括未考虑髓腔重建和外骨痂形成的影响，作者建议后续工作应结合大型动物实验验证数值模型。这项成果为开发兼具力学强度与生物活性的个性化支架提供了全新设计范式，特别在青少年骨缺损治疗领域展现出独特应用前景。