梯度Schwarz Primitive薄板复合支架的仿生设计与体外评估：力学-渗透性协同优化促进骨再生

为解决大段骨缺损修复中支架力学稳定性与营养传输难以平衡的难题，研究人员通过选择性激光熔化(SLM)技术开发了集成薄板(B)结构的梯度Schwarz Primitive最小表面支架(P-TPMS)。有限元分析(FEA)显示梯度设计可降低应力集中，计算流体力学(CFD)证实70%孔隙率的GPB70支架渗透率达6.37×10?9 m2，TiO2表面改性使接触角从110.8°降至31.6°。体外实验证明该支架显著促进MC3T3-E1细胞粘附增殖，为承重骨修复提供创新解决方案。

　　

骨骼作为人体最精妙的承重结构，其损伤修复一直是临床面临的重大挑战。当创伤、炎症或坏死导致骨缺损超过临界尺寸时，自然愈合机制便束手无策。传统解决方案如自体骨移植存在供区并发症风险，而人工植入物又常陷入力学支撑与生物活性难以兼顾的困境——要么刚度过高引发应力屏蔽，要么孔隙过大导致力学失效。更棘手的是，大段骨缺损修复需要支架在毫米级孔隙保证营养传输的同时，还能承受生理载荷，这就像要求一栋摩天大楼既要有蜂巢般的通透结构，又要具备抗震塔的稳固性。

针对这一跨尺度难题，浙江大学的研究团队在《Biomaterials Advances》发表创新研究。他们从松质骨的梯度多孔结构中获取灵感，将数学上完美的Schwarz Primitive三周期极小曲面(TPMS)与工程学薄板结构相结合，通过选择性激光熔化(SLM)技术制造出具有梯度特征的复合支架。研究团队运用有限元分析(FEA)优化结构参数，采用计算流体力学(CFD)模拟渗透特性，并通过表面TiO₂改性提升生物相容性，最终在体外实验中验证了支架促进骨再生的卓越性能。

在"Design and geometric modelling"部分，研究人员基于隐式水平集方程构建P-TPMS基体，通过引入薄板(B)结构和轴向梯度参数α，使GPB70支架在保持70%孔隙率的同时，压缩强度达到与皮质骨匹配的131-205 MPa。数学建模显示，梯度设计使流体渗透路径呈现仿生学特征。

"Simulation analysis of compression tests"章节通过有限元分析揭示了独特的力学行为：相较于均质P70和PB70支架，梯度设计的GPB70在压缩时呈现逐层坍塌的失效模式，这种渐进式能量吸收机制能有效防止植入物突然失效。同时，CFD模拟证实其渗透率(6.37×10^?9 m²)接近天然松质骨，解决了高密度支架渗透性差的矛盾。

在"Conclusions"部分，研究团队总结道：这种梯度薄板复合支架通过三重创新实现了性能突破——TPMS基体提供生物仿生微环境，薄板结构增强轴向承载，梯度设计协调力学-渗透性平衡。动态浸渍实验证实其毛细管效应促进早期营养输送，而MC3T3-E1细胞实验显示比表面积增加2.3倍，细胞增殖率提升68%。这些发现为开发"智能"骨植入物提供了新范式，特别是对承重部位大段骨缺损的修复具有重要临床价值。

该研究的创新性在于将数学拓扑优化、增材制造技术和生物力学原理深度融合，首次在单一支架中实现了机械强度、渗透特性和细胞响应的协同优化。正如通讯作者Fan Xiao指出，这种仿生梯度设计策略可扩展至其他组织工程领域，为复杂器官再生支架的开发提供新思路。未来通过动物实验验证其体内性能后，有望推动个性化骨修复植入物的临床转化。