3D打印多孔管状支架通过调控管腔直径促进大鼠股骨缺损骨愈合的时效性研究

创伤骨科领域长期面临大段骨缺损修复的临床挑战。本研究通过熔融沉积成型(FFF)技术制备不同管腔直径(4 mm A1/2 mm A2)的聚乳酸(PLA)多孔管状支架，在39只SD大鼠6 mm股骨缺损模型中证实：宽管腔支架A1在8周时骨桥接率达60%(vs A2 20%)，16周实现100%愈合，其生物力学性能达健康骨的35.1%(vs A2仅1.0%)，为无生物增强剂的骨再生材料设计提供新思路。

　　

大段骨缺损的修复一直是创伤外科的"阿喀琉斯之踵"。虽然自体松质骨移植仍是金标准，但供区并发症和取材限制促使科学家们不断探索替代方案。从β-磷酸三钙(β-TCP)到脱矿骨基质，现有材料往往需要添加骨髓基质细胞或骨形态发生蛋白(BMP-2)等生物活性因子才能达到理想效果。这种"生物增强"策略不仅增加治疗成本，还可能引发异位骨化等并发症。德国研究团队在《Biomaterials Advances》发表的研究另辟蹊径，通过精密调控3D打印支架的宏观结构参数，实现了无需外源生长因子的骨再生突破。

研究采用熔融沉积成型(FFF)技术制备两种外径相同(5 mm)但管腔直径迥异(4 mm A1/2 mm A2)的聚乳酸(PLA)多孔管状支架。在39只雄性SD大鼠6 mm临界尺寸股骨缺损模型中，通过μCT扫描、骨矿密度(BMD)检测和三点弯曲试验等系统评估发现：宽管腔设计的A1支架在第8周时骨桥接率(60%)就已显著高于A2组(20%)，到第16周时所有A1组样本均实现完全骨桥接。令人惊讶的是，虽然A2支架体外力学性能是A1的3倍(142 N/mm vs 45 N/mm)，但植入后A1组的生物力学恢复程度(35.1%健康骨强度)远超A2组(仅1.0%)。

动物健康状况
所有实验动物在8周和16周观察期内均未出现并发症，各组体重无统计学差异(p>0.05)，排除了代谢因素对结果的干扰。

μCT骨愈合评估
采用"点状骨连接"作为骨桥接判定标准。A1组在第8周时已有60%样本出现桥接，显著优于A2组；到第16周时，A1组全部实现桥接，而A2组仍停留在初期愈合阶段。

生物力学性能演变
三点弯曲试验显示，A1组的弯曲刚度随时间显著提升(8周12.4%→16周35.1%)，而A2组则从4%骤降至1%，表明薄壁宽腔结构更有利于力学性能的长期维持。

讨论与启示
这项研究颠覆了"支架力学强度决定修复效果"的传统认知，揭示出管腔直径通过影响骨折血肿形成空间，才是决定骨再生效率的关键因素。宽腔设计的A1支架为血管长入和营养扩散提供了理想环境，其多孔结构既防止纤维组织侵入，又允许必要的物质交换。该发现为"结构-功能"优化设计提供了新范式，特别是提出的"生物活性基础单元"概念，为构建更复杂的骨修复系统奠定了理论基础。

技术方法概要
研究采用计算机辅助设计构建不同管腔直径的支架模型，通过FFF技术使用PLA材料打印。建立SD大鼠股骨6 mm临界尺寸缺损模型，分设自体骨移植对照、A1和A2支架三组。术后8/16周分别进行μCT扫描、BMD测定和三点弯曲试验评估。

结论
3D打印PLA多孔管状支架可通过优化管腔直径实现无生物增强剂的骨再生，宽腔薄壁设计(A1)在长期观察中展现出显著的结构和功能优势。该成果为个性化骨缺损修复材料的开发提供了重要理论依据和技术路径。