基于Gyroid-Schwarz-D复合TPMS晶格结构的骨支架生物相容性优化研究

本研究针对骨组织工程支架在渗透性与细胞增殖活性区域的平衡难题，创新性地将Gyroid与Schwarz-D两种三周期极小曲面（TPMS）结构特征融合，通过计算流体动力学（CFD）模拟和达西定律分析，发现45°倾角的新型晶格在70%孔隙率下实现渗透率（2.97631E-08 m2）与活性细胞增殖面积（1351.89 mm2）的协同优化，为个性化生物植入体设计提供新思路。

　　

在组织工程领域，如何构建既能促进细胞生长又能保证营养输送的骨支架一直是科学家们面临的重大挑战。传统支架结构往往难以兼顾高渗透性和大细胞附着面积，就像试图同时抓住两条滑溜溜的鱼——提高孔隙率利于物质交换却牺牲了机械强度，增加实体结构又可能阻碍细胞迁移。这种矛盾在临床应用中尤为突出，例如骨缺损修复时，患者需要支架既能快速血管化又要承受生理载荷。

三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surfaces, TPMS）的出现为解决这一难题带来了曙光。这类数学驱动的结构具有天然优势：连续曲率减少应力集中，周期性孔隙促进均匀营养分布。其中Gyroid结构以其高表面体积比（S/V）著称，而Schwarz-D结构则以贯通孔道见长。但单独使用任一种结构都像独轮车——要么侧重细胞附着（Gyroid）要么偏重物质传输（Schwarz-D），难以两全其美。

研究人员敏锐地捕捉到这个关键问题，开展了一项突破性研究。他们像分子厨师般精心调配结构配方，将Gyroid和Schwarz-D两种TPMS的拓扑特征进行创新融合，设计出全新的复合晶格结构。通过系统比较0°-90°倾角变体在70%孔隙率下的性能，最终发现45°构型实现了"鱼与熊掌兼得"的理想效果。这项重要成果发表在《Medical Engineering》上，为智能生物材料设计树立了新标杆。

研究团队运用三大关键技术展开攻关：首先采用nTopology进行晶格参数化设计，通过调节单元尺寸和表面厚度实现结构精确控制；接着利用Hypermesh生成高质量计算网格，为流体模拟奠定基础；最后依托Ansys Fluent开展计算流体动力学（CFD）分析，以5 ml/min流速模拟生理环境，结合达西定律定量评估渗透性。这种多尺度研究方法就像给支架做了次"全身体检"，从宏观流动到微观剪切力无所不包。

压力降与渗透性

模拟结果显示，复合结构在保持与Schwarz-D相当的压力降（0.0158 Pa）同时，渗透率达到2.97631E-08 m2。这好比在保持高速公路通行量的前提下，额外修建了更多匝道出口，使营养输送和废物排出更加高效。

壁面剪切应力（WSS）

45°设计产生的WSS为0.0009 Pa，完美落在0.0001-0.01 Pa的细胞增殖最佳区间。这种"温柔按摩"般的力学刺激，既不会因应力不足导致细胞"饥饿"，也不会因过强引发"机械创伤"。

活性细胞增殖面积

该结构以1351.89 mm2的优异成绩刷新纪录，这得益于Gyroid组分的高S/V比特性。就像把平房改建成loft公寓，在不增加占地面积的情况下大幅提升可用空间。

表面体积比（S/V）

复合晶格的S/V比达到显著提升，为细胞附着提供更多"停车位"。这种结构优势如同毛细血管的丰富分支网络，极大增加了物质交换界面。

研究结论指出，这种45°倾角的TPMS复合晶格创造了渗透性与生物活性的黄金平衡。其成功关键在于几何特征的智能组合：Gyroid贡献的连续曲率促进细胞铺展，Schwarz-D提供的高速通道保障代谢需求。这种设计理念不仅适用于骨再生，对软骨、神经等组织工程同样具有启示意义。

特别值得关注的是，该研究为个性化医疗植入体带来新可能。通过调节倾角参数，医生可以像调频收音机那样精确"调谐"支架性能，匹配不同患者的愈合需求。未来结合3D打印技术，或将实现从"千人一械"到"量体裁衣"的革命性跨越。正如研究者强调的，这种基于基础几何学的创新，正在重新定义生物材料设计的范式。