梯度Schwarz Primitive TPMS复合薄板支架的仿生构建及其在骨缺损修复中的力学-传质协同优化

针对大段骨缺损修复中力学支撑与营养传输的平衡难题，浙江大学团队创新性地将梯度Schwarz Primitive三周期极小曲面（TPMS）结构与薄板（B）结构整合，通过选择性激光熔化（SLM）技术制备出GPB70支架。该设计通过有限元分析（FEA）验证了梯度结构可降低应力集中，计算流体力学（CFD）显示其兼具6.37×10?9 m2的适度渗透率，表面TiO2改性使接触角降至31.6°，体外实验证实其显著促进MC3T3-E1细胞增殖，为承重骨修复提供了突破性解决方案。

　　

在骨科临床中，大段骨缺损的修复始终是极具挑战性的难题。当创伤、炎症或坏死导致骨组织缺失超过临界尺寸时，人体自身的再生能力便显得捉襟见肘。传统解决方案如自体骨移植虽效果可靠，却面临供区并发症和来源有限的困境。为此，仿生骨支架技术应运而生，成为骨组织工程领域的研究热点。然而，现有支架设计往往陷入两难境地——追求力学强度会导致渗透率下降，而提高孔隙率促进营养传输又可能牺牲结构稳定性。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，恰如自然界的骨组织给研究者出的一道精巧谜题：如何仿生构建既承重如皮质骨、又通透如松质骨的人工支架？

浙江大学机械工程学院的研究团队从三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）这一数学模型中找到了突破口。他们创新性地将梯度Schwarz Primitive（P-TPMS）结构与轴向薄板（B）结构复合，通过选择性激光熔化（SLM）技术制备出具有70%孔隙率的GPB70支架，相关成果发表在《Biomaterials Advances》上。这项研究通过有限元分析优化结构设计，结合计算流体力学模拟评估传质性能，并采用TiO₂表面改性提升生物相容性，最终通过体外细胞实验验证了支架的促骨再生能力。

关键技术方法

研究团队首先基于隐式水平集方程构建P-TPMS数学模型，通过调整周期性参数ω和偏移量C实现梯度设计。采用选择性激光熔化技术加工Ti6Al4V合金支架，通过阳极氧化生成TiO₂表面涂层。力学性能通过有限元分析和压缩试验评估，渗透率采用计算流体力学模拟结合动态浸渍实验测定，生物相容性通过MC3T3-E1小鼠成骨细胞系进行体外验证。

设计及几何建模

研究人员以天然骨小梁为灵感，将P-TPMS的数学表达式f(x,y,z)=cos(ω_xx)+cos(ω_yy)+cos(ω_zz)+C=0中的偏移参数C设为αz，实现沿轴向的梯度变化。薄板结构以15°倾角融入TPMS框架，这种"刚柔并济"的设计使支架轴向强度提升37.5%，同时维持6.37×10^?9 m²的渗透率。

压缩试验模拟分析

有限元分析显示，梯度设计的GPB70支架展现出独特的"逐层坍塌"失效模式，弹性模量达3.21 GPa，介于皮质骨（12-18 GPa）与松质骨（0.1-0.5 GPa）之间。与均质P70支架相比，其能量吸收能力提升210%，应力集中系数降低至1.8，显著优于传统多孔结构。

流体动力学表现

计算流体力学模拟揭示GPB70的迂曲度仅为1.16，较均质结构降低28%。动态浸渍实验证实其毛细管作用使流体前沿速度达0.38 mm/s，比对照组快3倍。这种"自泵送"效应源于梯度孔隙产生的拉普拉斯压力差，为早期细胞浸润创造了理想微环境。

表面改性与细胞响应

阳极氧化生成的TiO₂纳米管使接触角从110.8°锐减至31.6%，表面能提升至72.5 mN/m。MC3T3-E1细胞在GPB70支架上的铺展面积达1243 μm²/cell，是光滑钛合金表面的2.3倍，培养7天后细胞活性较对照组提高58%。

研究结论与展望

该研究通过数学建模-工艺优化-性能验证的全链条创新，证实梯度TPMS复合薄板支架能突破力学-传质此消彼长的传统局限。GPB70支架的层状失效模式模拟天然骨的韧性断裂行为，而梯度孔隙诱导的毛细效应解决了大段支架深层营养输送难题。这种"结构功能一体化"设计策略不仅为承重骨修复提供了新思路，其建立的TPMS参数化设计体系更可拓展至软骨、血管等其他组织工程领域。未来研究可进一步探索孔隙梯度与生长因子释放的协同效应，推动仿生支架向"智能响应型"方向发展。