梯度电纺支架从定向纤维到蜂窝微图案：在骨-肌腱组织工程中的应用

为解决大段骨缺损修复中机械稳定性与营养输送的平衡难题，研究人员创新性地将梯度Schwarz Primitive最小表面支架(P-TPMS)与薄板(B)结构结合，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)证实可降低应力集中，计算流体力学(CFD)显示其保持6.37×10?9 m2渗透率的同时，TiO2表面改性使接触角从110.8°降至31.6°。体外实验证明其显著促进MC3T3-E1细胞增殖，为承重骨缺损修复提供了兼具力学性能与生物活性的解决方案。

　　

骨骼作为人体最坚硬的结缔组织，其自我修复能力却存在明显的尺寸限制——当缺损超过临界阈值时，自然愈合机制就会失效。传统骨移植材料在应对大段骨缺损时往往顾此失彼：金属植入物虽然力学性能优异，却容易导致应力屏蔽；而多孔陶瓷又难以兼顾渗透性与结构强度。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，促使科学家们将目光投向具有仿生特性的三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）结构。

浙江大学的研究团队在《Biomaterials Advances》发表的研究中，创造性地将梯度Schwarz Primitive（P-TPMS）结构与薄板增强设计相结合，开发出具有层级失效模式的GPB70支架。该研究通过计算机辅助设计、选择性激光熔化制备、表面TiO₂改性等关键技术，并采用有限元分析和计算流体力学模拟进行性能预测，最终通过体外细胞实验验证生物相容性。

设计原理与模拟验证

通过隐式水平集方程构建的P-TPMS基体，其孔隙率精确控制在70%以模拟天然骨小梁。有限元分析显示，梯度设计的GPB70支架压缩强度达131-205MPa，与皮质骨相当，且呈现理想的逐层坍塌失效模式。计算流体力学证实其渗透率为6.37×10^?9 m²，较均质结构提升2.7倍。

表面改性优化

TiO₂涂层使Ti6Al4V基材的接触角从110.8°锐减至31.6°，显著改善亲水性。动态浸渍实验证实改性后的支架具有更强的毛细管效应，流体传输效率提升3.2倍，这对早期营养输送至关重要。

细胞响应特性

MC3T3-E1小鼠成骨细胞在GPB70支架上的增殖率较对照组提高82%，归因于梯度结构提供的1.8倍比表面积增长。细胞伪足沿薄板结构定向延伸，形成密集的细胞-基质连接网络。

这项研究突破性地实现了"力学-渗透-生物"三重性能协同优化：梯度TPMS架构保障力学完整性，薄板增强设计抵抗轴向载荷，而TiO₂改性表面则创造有利的细胞微环境。特别值得注意的是，支架表现出的毛细管效应为解决大段缺损中心区域营养输送难题提供了新思路。该成果不仅为承重骨缺损修复提供了可直接临床转化的解决方案，其"梯度设计+功能强化"的策略更可拓展至软骨-骨界面等复杂组织工程领域。正如研究者Fan Xiao和Guang-hao Ren在讨论部分强调的，这种仿生多尺度结构设计代表着下一代骨支架的发展方向。