基于三周期极小曲面(TPMS)的高自由度钛合金植入体在掌骨缺损修复中的应用研究

推荐：本研究针对掌骨缺损修复中个性化植入体设计自由度不足的问题，创新性地采用三周期极小曲面(TPMS)结构结合3D打印技术，开发了基于Gyroid网络的钛合金植入体(G模型)。通过力学测试、细胞实验和有限元分析证实，该植入体具有72.43%孔隙率、0.76 GPa弹性模量和599.4 μm平均孔径，能显著促进ALP和OPN基因表达，其四螺钉钢板固定方案的位移差仅0.04 mm，为个性化骨修复提供了新策略。

　　

掌骨作为手部精细操作的关键支撑结构，其缺损常导致功能障碍。传统自体骨移植存在供区损伤、感染风险等问题，而固体钛合金植入体虽能提供力学支撑，却面临应力屏蔽和骨整合不足的挑战。如何设计兼具生物活性和力学适配性的个性化植入体成为临床难题。

针对这一需求，研究人员创新性地将数学中的三周期极小曲面(TPMS)结构引入生物医学领域。TPMS结构具有零平均曲率的独特几何特征，其仿生多孔网络与骨小梁结构高度相似，既能降低弹性模量减少应力屏蔽，又为细胞迁移和营养交换提供理想环境。研究团队通过布尔运算将Gyroid固体网格结构与患者骨缺损模型结合，采用选择性激光熔化(SLM)技术以Ti-6Al-4V合金为材料制备植入体，并系统评估了其性能。

研究主要采用四大关键技术：1) 基于MSLattice软件的TPMS结构参数化设计，通过布尔运算实现70%目标孔隙率的个性化建模；2) 选择性激光熔化(SLM)精密制造技术；3) 结合SEM、EDS和Avizo软件的多尺度结构表征；4) 整合力学测试、MC3T3-E1细胞培养和有限元分析的多维度评价体系。

【3.1 支架结构设计筛选】
通过调节晶胞尺寸(1-3 mm)与缺损区域布尔运算，获得平均孔径582 μm、孔隙率72.43%的G模型。拓扑优化显示2.5 mm晶胞尺寸最能平衡力学与生物性能。

【3.2 微观结构与力学性能】
SEM显示G模型具有599.4 μm平均孔径，EDS证实元素组成稳定。接触角测试显示G模型(82.11°)较E模型(72.50°)疏水性增强。压缩测试表明其弹性模量(0.76 GPa)接近松质骨范围，显著低于固体钛合金(110 GPa)。

【3.3 体外细胞研究】
Live/Dead染色显示G模型在第5天细胞存活率显著优于E模型(p<0.05)。ALP活性检测发现G模型在14天时活性达E模型的3.27倍。qPCR证实G模型可特异性上调后期ALP和OPN表达(14天时OPN表达量达3.91倍)。

【3.4 有限元分析】
四螺钉+钢板固定方案下，G模型与E模型最大位移差仅0.04 mm，且应力分布更均匀，峰值应力(135.4 MPa)显著降低应力屏蔽效应。

讨论部分指出，该研究突破传统植入体"生物活性-力学强度"的权衡困境：Gyroid结构通过700 μm左右互连孔隙促进营养传输，72%孔隙率提供充足比表面积，0.76 GPa弹性模量实现力学适配。特别值得注意的是，时空差异的基因调控模式(早期RUNX2/OCN无差异，后期ALP/OPN显著上调)提示拓扑结构可时序调控成骨分化。

该成果发表于《Materials》，其创新性体现在三方面：1) 建立TPMS结构-孔隙率-力学性能的定量调控关系；2) 开发"中央多孔+两端实体"的复合结构设计范式；3) 提出基于布尔运算的个性化植入体快速建模方法。未来研究需探索Ti-Nb等低模量合金的应用，并开展大动物实验验证长期效果。这项技术不仅适用于掌骨修复，还可拓展至脊柱融合器、关节假体等需定制化力学和骨整合性能的骨科器械领域，具有广阔的临床转化前景。