3D打印多孔Ti-6Al-4V支架的孔结构与微纳表面形貌对颌面骨缺损修复的协同调控机制研究

针对颌面骨缺损修复材料力学适配性与骨整合性能不足的难题，研究人员通过3D打印技术构建不同孔结构（DI/TC/CU）和孔径（600/900 μm）的Ti6Al4V支架，结合飞秒激光（FS）制备微纳复合表面（ML/MN），系统评估了其对MC3T3-E1细胞行为及动物骨再生的影响。结果表明TC 0.9支架具有最佳骨匹配模量，而MN表面显著促进细胞定向排列与矿化，为个性化骨修复植入体设计提供了新策略。

　　

颌面骨缺损的修复一直是临床面临的重大挑战，复杂的解剖结构和功能需求使得传统修复材料难以兼顾力学支撑与生物活性。钛合金（Ti6Al4V）虽具有优良的机械性能，但其高弹性模量导致的应力屏蔽效应和生物惰性表面制约了骨整合效果。近年来，3D打印技术为定制化多孔支架提供了可能，但最优孔参数组合仍存争议；同时，表面形貌调控虽能增强骨诱导性，但何种微纳结构最利于颌面骨再生尚不明确。

天津医科大学口腔医院的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》发表的研究中，创新性地将3D打印与飞秒激光（FS）技术结合，系统探究了多孔Ti6Al4V支架的孔结构（钻石DI/截角立方TC/立方CU）与孔径（600/900 μm）对力学性能和成骨活性的影响，并进一步通过FS构建激光诱导周期表面（LIPSS, L）、纳米簇（N）及其与微柱（MC）的复合结构（ML/MN），揭示了微纳拓扑对细胞行为的调控机制。

关键技术包括：1）采用选择性激光熔化（SLM）3D打印六组不同参数的支架；2）飞秒激光加工四种表面形貌；3）通过Micro-CT、SEM和接触角测试表征结构特性；4）MC3T3-E1细胞实验评估增殖、黏附及成骨分化；5）建立兔下颌骨缺损模型进行体内验证。

3.1 多孔Ti6Al4V支架的表征

微CT显示DI结构打印误差最大（孔隙率误差达10.8%），而TC 0.9支架实测孔隙率78.97%最接近设计值（81%）。接触角测试表明TC 0.9亲水性最佳（CA最小），且900 μm组普遍优于600 μm组。蛋白吸附实验显示DI结构吸附能力最强，但小孔径（600 μm）更利于蛋白富集。

3.2 力学性能

TC 0.9和CU 0.9的弹性模量（0.566/0.322 GPa）与松质骨匹配，而DI 0.6模量最高（2.238 GPa）。压缩实验显示DI结构抗压强度最优（190.4 MPa），但TC 0.9展现出更适合骨修复的力学梯度。

3.3 细胞行为

虽然六组支架上细胞增殖无显著差异，但成骨分化实验表明900 μm组ALP活性和钙结节沉积量显著高于600 μm组。TC 0.9在早期（7天）成骨优势明显，而DI 0.9在后期（14天）表现更优，RUNX2和OCN基因表达上调2-3倍。

3.5 表面形貌调控

FS处理的表面均呈现超亲水性（CA≈0°），其中MN组粗糙度（Sa=11.015 μm）和蛋白吸附量最高。细胞在ML/MN表面沿微沟槽定向延伸，核长宽比增加50%，且MN组增殖速率较AM组提高30%。

3.9 体内骨整合

Micro-CT显示FS处理组（DIML/TCMN等）的骨体积分数（BV/TV）较未处理组提升40%-60%，其中TC支架经FS修饰后新骨密度（BMD）增长最显著。组织学证实TCMN组新生骨面积占比达40.06%，显著高于DI组（27.75%）。

该研究首次阐明TC结构支架与MN表面形貌的协同增效机制：TC 0.9的三维桁架设计有效分散应力，而MN表面的纳米簇-微柱复合拓扑通过促进细胞极化和YAP信号核转导加速骨愈合。这一成果为颌面骨修复材料的"结构-功能"一体化设计提供了新范式，未来可通过梯度孔结构设计进一步模拟天然骨的分层特性。论文中飞秒激光精准调控微纳拓扑的方法，也为其他金属植入物的表面功能化提供了技术参考。