3D打印双相支架中互锁沙漏几何结构增强界面性能的研究及其在铰链关节再生中的应用

为解决铰链关节(如膝关节、肘关节和颞下颌关节)在单向剪切和正交压缩下的软骨再生难题，研究人员通过计算建模设计了具有正弦沙漏管几何结构的3D打印双相支架。该研究采用聚乳酸(PLA)打印支架并填充琼脂糖或PHA-PEGDA-DVC水凝胶，实验显示PHA-PEGDA-DVC组界面剪切应力达51±7 kPa，3方向压缩应力达6.9±1.8 MPa，较传统交叉结构提升39%，为关节再生提供了创新解决方案。

　　

在人体铰链关节(ginglymus joints)如膝关节、肘关节和具有铰链-滑动双重特性的颞下颌关节(TMJ)中，软骨表面主要承受单向剪切和正交压缩载荷。针对损伤或关节炎关节的再生医学治疗，研究人员巧妙运用计算模型设计出具有革命性沙漏几何结构的3D打印双相支架。

这种正弦波状的沙漏管结构能有效分散水凝胶-基质界面的剪切应力，同时增强正交压缩承载能力。研究团队采用热熔挤出3D打印技术制备聚乳酸(PLA)沙漏支架，并注入两种水凝胶：传统琼脂糖和新型复合材料——戊烯酸修饰透明质酸(PHA)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)联合脱细胞软骨(DVC)的复合物。

剪切实验分别在平行于管长轴(1方向)和正交方向(2方向)进行，结果显示PHA-PEGDA-DVC水凝胶填充的支架界面剪切应力峰值达51±7 kPa，显著优于传统交叉结构对照组(p<0.05)。计算模型揭示了这种几何结构特有的剪切载荷传递机制。更令人振奋的是，空载沙漏结构在3方向的极限压缩应力达到6.9±1.8 MPa，比对照结构提升39%。

这项研究证实，创新的沙漏设计能同时优化1方向剪切和3方向压缩性能，为需要承受特定力学环境的铰链关节组织再生提供了极具前景的支架设计方案。这种仿生结构可能成为未来治疗膝关节等承重关节损伤的突破性策略。