增材制造Weaire–Phelan结构Ti6Al4V支架用于骨修复：利用MG63成骨样细胞进行的体外生物力学评估与骨整合见解

《Materials & Design》：Additively manufactured Weaire–Phelan Ti6Al4V scaffolds for bone repair: in vitro biomechanical evaluation and osseointegration insights using MG63 osteoblast-like cells

　　

由于创伤、肿瘤切除或退行性疾病导致的骨大缺损修复仍是骨科领域的一项关键挑战。本研究调查了采用Weaire–Phelan（WP）结构设计的增材制造Ti6Al4V支架，这是一种模仿松质骨（trabecular bone）的支柱基晶格支架。研究人员通过直接金属打印（DMP）技术，应用三种不同的打印参数——Robust、Good和Normal，制造了具有不同孔隙率（50–90%）的支架。通过多种测试评估了这些支架的结构、力学和生物学性能，包括微观结构表征（X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、微计算机断层扫描（micro-CT））、轴向压缩测试、计算疲劳分析以及使用MG63骨细胞的细胞相容性测试。结果表明，孔隙率为70%的WPD支架在力学强度、细胞粘附和生物矿化方面提供了最佳平衡，以促进骨长入。这些支架支持了延长的丝状伪足形成、高代谢活性以及在28天内的持续磷灰石沉积。而对于高孔隙率支架（即RC_WPD90），观察到了相反的效果，其细胞铺展和矿化物形成较低，突显了优化孔隙结构的重要性。本研究展示了基于WP的Ti6Al4V支架在骨组织工程中的潜力，强调了优化孔隙结构在增强骨整合（osseointegration）和植入物结构完整性方面的重要性。

**论文解读：增材制造Weaire–Phelan结构Ti6Al4V支架用于骨修复的体外综合评估**

**研究背景与目的**

在骨科临床中，创伤、肿瘤切除或退行性疾病造成的骨大缺损修复仍是重大挑战。传统实体金属植入物虽力学强度高，但其弹性模量与天然骨不匹配，易导致应力屏蔽（stress shielding），引发周围骨吸收、植入物松动及早期失效。天然松质骨具有高度多孔结构（孔隙率50%–95%，弹性模量0.5–3 GPa），该结构不仅承载力学负荷，还能促进血管化、营养交换及细胞活动。因此，设计可模拟天然骨多孔结构的支架成为提升植入物性能、减少应力屏蔽的关键策略。Ti6Al4V合金因其优异的生物相容性、耐腐蚀性和高强度重量比，被广泛用于骨科和牙科。增材制造（AM）技术，尤其是选择性激光熔融（SLM），可实现支架几何形状、孔隙率及壁厚的精确控制，从而制造患者特异性植入物。在众多支架设计中，三周期极小曲面（TPMS）结构（如Gyroid、Diamond）已被广泛研究，但Weaire–Phelan（WP）结构因其仿生学上与松质骨的高度相似性而脱颖而出，其由五角十二面体（pyritohedron）和截顶六方梯形面体（truncated hexagonal trapezohedron）组成，能有效分布力学负荷并维持高孔隙率。然而，此前研究多单独探讨WP结构、Ti6Al4V支架或细胞相容性，缺乏将设计、制造、力学测试及生物学评价整合于一体的系统研究。本研究旨在填补这一空白，通过综合分析增材制造Ti6Al4V WP支架的结构、力学及生物学性能，为开发下一代骨植入物提供依据。论文发表在《Materials》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用nTopology?软件设计WP支架单元胞（尺寸3×3×3 mm3），通过直接金属打印（DMP）技术，使用Ti6Al4V粉末（LaserForm? Ti Gr23(A) Alloy powder, 3D Systems, USA），在三种打印参数（Robust、Good、Normal）下制备了五种孔隙率（50%、60%、70%、80%、90%）的立方和圆柱形支架。关键方法包括：微计算机断层扫描（micro-CT）表征孔隙结构；依据ISO 13314:2011标准进行轴向压缩测试（Universal Testing Machine, BISS?）；采用Johnson-Cook（JC）本构模型进行有限元分析（FEA, Ansys? Workbench）；基于Soderberg方法计算疲劳安全系数；使用MG63成骨样细胞（购自National Centre for Cell Science, NCCS, Pune, India）进行细胞相容性评估，包括MTT法、FESEM及免疫荧光染色（CLSM）；模拟体液（SBF）浸泡实验（ISO 23317:2014）评估生物矿化能力。

**研究结果**

**1. 制造精度与结构完整性**
通过质量偏差分析，Robust参数（R_WPD）支架表现出最高的尺寸保真度，平均质量误差仅0.6%，远优于Normal（16.8%）和Good（6.6%）参数组。计算体积能量密度显示，R_WPD（75.76 J/mm3）显著高于N_WPD（32.47 J/mm3）。micro-CT定量分析证实，随着孔隙率增加，支架内部孔径趋于均匀化和增大，R_WPD70支架的等效孔径主要集中在1500–1700 μm。FESEM图像显示R_WPD支架具有高度互连的孔隙结构，且表面存在由部分熔融粉末颗粒引起的微尺度粗糙度。接触角测量（83.69°–84.16°）表明表面为中等亲水性，有利于细胞粘附。

**2. 力学性能图谱**
压缩测试结果显示，R_WPD支架的力学性能最佳。R_WPD50的弹性模量（E_c）为7.10 GPa，屈服强度（σ_y）为320.0 MPa，较N_WPD分别提升84.4%和212.3%。R_WPD70的E_c和σ_y分别比N_WPD70高159.1%和145.6%。FEA结果与实验值吻合良好，尤其在中等孔隙率区域（50%–80%），误差在2.64%–12.46%之间；但在高孔隙率（R_WPD90）时误差增大至34.59%（E_c）和14.22%（σ_y），归因于JC模型无法捕捉几何失稳。Gibson-Ashby（G-A）模型分析表明，R_WPD支架的屈服强度指数（n₂ = 1.69）和比例系数（C₂ = 0.88）均高于其他组，表明其具有优异的载荷传递效率。疲劳分析显示，R_WPD支架的疲劳强度平均为N_WPD的2.7倍，R_WPD50达到170.9 MPa，接近或超过天然骨水平。

**3. 支架表征**
XRD分析确认所有支架均保留六方密排（HCP）α-Ti相，无α′马氏体或β-Ti相生成，表明Robust工艺参数未引起有害相变。FESEM观察显示，RC_WPD50–80支架具有优良的几何精度，而RC_WPD90存在不均匀表面和制造缺陷。

**4. MTT法细胞活力测定**
MTT法结果显示，RC_WPD70支架在第6天吸光度最高（约0.93），比实体对照板高25%–30%，表明其支持最高的细胞代谢活性和增殖。RC_WPD80次之（约0.80），而RC_WPD50、RC_WPD60和RC_WPD90表现较差，其中RC_WPD90吸光度持续偏低（约0.59），提示超高孔隙率可能因表面积不足而抑制细胞附着。

**5. 细胞粘附（FESEM）**
FESEM图像显示，RC_WPD70支架在第2天即表现出广泛的细胞铺展和显著的丝状伪足形成，第3天实现细胞-支架高度整合，细胞密度高且细胞质延伸发育良好。RC_WPD50、RC_WPD60和RC_WPD80也表现出良好的细胞粘附，而RC_WPD90的细胞铺展略逊于其他支架。

**6. 细胞形态（CLSM）**
免疫荧光染色显示，RC_WPD60和RC_WPD70在第2天细胞覆盖均匀，第3–4天RC_WPD70表现出最广泛的肌动蛋白组织和最高的核密度。RC_WPD90的细胞主要聚集在孔隙边缘，RC_WPD50的铺展程度低于高孔隙率组。结果表明，70%–80%孔隙率支持最佳的细胞骨架发育。

**7. SBF生物矿化研究**
XRD分析显示，羟基磷灰石（HAp）特征峰（2θ = 25.9°、31.7°、32.9°）从第7天开始出现，第21天达到峰值，第28天仍持续。孔隙率与矿物沉积呈负相关：RC_WPD50的HAp峰强度最高，而高孔隙率支架（RC_WPD80–90）早期成核动力学快但总矿物积累少。RC_WPD60–70表现出平衡的孔隙率与结构完整性，矿化性能优异。FESEM图像证实了第14天明显的HAp形成。

**结论与讨论**

本研究系统评估了WP结构Ti6Al4V支架的设计、制造、力学、疲劳及生物学性能。讨论部分指出，Robust打印参数通过优化激光功率、扫描速度和层厚，显著提高了制造精度和力学性能，其高体积能量密度确保了粉末完全熔化和高质量结合。JC模型在中等孔隙率下能有效预测力学行为，但在高孔隙率时因几何简化产生偏差，未来可考虑Zerilli–Armstrong模型或Gurson–Tvergaard–Needleman模型以提高预测准确性。G-A模型分析表明，R_WPD支架的屈服强度指数接近理想泡沫行为，且相对弹性模量与松质骨匹配良好，提示其适用于不同解剖部位的骨替代（如股骨干、股骨颈、椎体等）。在生物学响应方面，RC_WPD70支架因70%孔隙率提供了最佳的表面积与结构完整性平衡，促进了细胞粘附、铺展、代谢活性和细胞骨架发育，且矿化动力学良好，而超高孔隙率（90%）因孔径过大（>1700 μm）导致表面积不足，进而抑制细胞响应。研究结论强调，支架孔隙率、表面形貌和制造参数在调控力学性能、细胞反应和矿化行为中起关键作用。RC_WPD70/R_WPD70支架在力学、生物学和生物活性方面均表现最优，推荐作为骨组织工程候选设计。然而，本研究仅基于体外实验，未来需通过临界尺寸骨缺损动物模型进行体内验证，以评估生理载荷下的骨再生效果。