《BIOMATERIALS RESEARCH》：3D-Printed Region-Specific Biomimetic Prosthesis for Enhancing Heterogeneous Double-Interface Integration of Bone–Prosthesis and Tendon–Prosthesis
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大段骨缺损合并天然肌腱及软组织附着点缺失在假体重建中仍具挑战性，因为必须同时实现骨-假体界面与肌腱-假体界面的整合。为满足这一异质性双界面需求，本研究提出并验证了一种3D打印（3D-printed）区域特异性仿生钛合金假体设计策略。该策略在同一Ti6Al4V假
大段骨缺损合并天然肌腱及软组织附着点缺失在假体重建中仍具挑战性，因为必须同时实现骨-假体界面与肌腱-假体界面的整合。为满足这一异质性双界面需求，本研究提出并验证了一种3D打印（3D-printed）区域特异性仿生钛合金假体设计策略。该策略在同一Ti6Al4V假体的不同功能区域内整合了仿生肌腱有序微结构与仿生骨小梁样无序多孔结构。具体而言，顶部帽状结构设计为肌腱样有序微结构以利于软组织附着，而主体区域则设计为骨小梁多孔结构以促进骨整合。体外实验表明，仿生肌腱结构显著促进肌腱来源干细胞的定向排列与肌腱向分化，而仿生骨小梁样结构则有利于骨髓间充质干细胞的成骨分化与矿化成熟。体内动物实验进一步验证，单一结构不足以同时满足软组织附着与骨稳定性的双重需求。相比之下，3D打印区域特异性仿生假体在体内建立了空间分隔的肌腱与骨形成微环境，实现了更为协调的异质性双界面组织整合。
论文解读：3D打印区域特异性仿生假体实现骨-假体与肌腱-假体异质性双界面的协同整合
一、研究背景与问题
在严重骨缺损或复杂关节重建手术中，大量骨丢失常导致肌腱、韧带等软组织天然附着点的丧失。为维持重建后关节假体的长期稳定性，临床通常需要将肌腱直接缝合于金属假体表面，而非实现经典的肌腱-骨界面愈合。因此，此类假体重建面临两个相互关联但生物学性质截然不同的界面挑战：骨侧需实现稳定的骨-假体整合以承受长期机械负荷，软组织侧则需形成稳定的肌腱-假体界面以维持关节的长期功能活动度。这要求假体系统在骨侧同时实现长期承重稳定性和软组织侧的功能性附着，即骨-假体与肌腱-假体异质性双界面的协调整合。
在材料选择方面，钛合金凭借高弹性模量、优异机械强度和长期结构稳定性，满足关节重建的承重与抗疲劳要求，成为临床不可替代的材料选择。近年来，随着多孔结构设计与3D打印技术的发展，多孔钛合金假体在促进骨组织长入、改善骨-假体界面机械稳定性方面取得显著进展，但其微结构设计往往主要聚焦于骨整合，难以同时满足骨侧与软组织侧的结构和生物学需求。在软组织界面，钛合金假体高弹性模量和相对生物惰性的表面特性常导致肌腱以无序瘢痕组织方式修复，阻碍稳定且具有生理功能的附着结构重建，进而限制肌腱-假体界面的力学性能。临床随访数据表明，在肩袖修复等典型临床场景中，金属假体上软组织附着点的5年无翻修生存率为74%，而因软组织功能障碍导致的假体失败发生率可超过60%，凸显软组织附着失败仍是导致假体不稳定和功能受损的关键因素。
既往研究尝试通过表面涂层、生物活性分子递送、生长因子修饰等策略改善肌腱-假体界面的生物整合，但这些方法往往将假体视为结构同质的功能组件，忽视了天然肌腱-骨界面并非均匀连接，而是有序胶原纤维过渡至无序骨小梁网络的连续梯度系统。单一界面设计方法难以同时满足骨侧与软组织侧不同的生物力学需求，从而阻碍双界面的长期协调稳定。
二、研究内容与结论
基于上述认识，本研究提出一种3D打印区域特异性仿生钛合金假体设计策略，旨在实现骨-假体与肌腱-假体异质性界面的协同整合。在骨侧，假体引入仿生骨小梁多孔结构以增强骨髓间充质干细胞的成骨分化潜能并改善骨-假体界面的机械稳定性；在软组织侧，开发仿生肌腱样有序流线型微孔结构以引导肌腱来源干细胞的定向排列并增强肌腱-假体界面的力学性能。通过在同一假体的不同功能区域内整合不同仿生微结构，系统阐明结构仿生对异质性双界面细胞行为和组织整合的调控效应。结合体外细胞实验和体内动物模型，从生物学和力学角度评估区域特异性仿生假体在促进骨-假体与肌腱-假体界面协同整合方面的潜在优势。
该研究发表于《BIOMATERIALS RESEARCH》，系统验证了区域特异性仿生结构在多组织界面重建中的优势，为复杂骨缺损和关节重建中假体结构优化提供了理论基础。
三、关键技术方法
研究人员采用计算机辅助设计软件Rhinoceros 8及其参数化建模插件Grasshopper设计多孔Ti6Al4V支架，孔径设定为500 μm，总孔隙率约60%。使用选择性激光熔化（SLM）设备（BLT-A3200，德国）制备支架，打印材料为Ti6Al4V钛合金粉末（TLS，德国），粉末粒径45至100 μm。体外实验采用直径10 mm、厚度1.5 mm的圆柱形支架；体内实验采用直径5 mm、高8 mm的钉形支架，分为仿生肌腱（BTen）、仿生骨小梁（BT）和仿生区域特异性（BR）三组。采用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）表征支架微观结构和化学组成；采用计算流体动力学（CFD）模拟分析支架渗透性；体外实验分别将肌腱来源干细胞（TDSCs）接种于BTen支架、骨髓间充质干细胞（BMSCs）接种于BT支架，进行CCK-8增殖检测、活/死染色、F-actin/DAPI细胞骨架染色、免疫荧光、酶联免疫吸附测定（ELISA）和实时定量PCR（RT-qPCR）评估肌腱向和成骨向分化；体内实验选用36只雄性新西兰兔，随机分为3组，建立兔髌腱急性损伤模型，通过micro-CT、组织学染色、免疫荧光和力学拔出测试评估组织整合效果。
四、研究结果
支架表面形貌与组成：SEM分析显示BTen支架呈现有序平行微孔结构，BT支架呈现随机互连的骨小梁样结构。BTen和BT支架的实际孔径分别为472 ± 29 μm和459 ± 35 μm，孔隙率分别为56.8% ± 1.9%和54.6% ± 2.4%。EDS分析表明支架主要由Ti、Al、V元素组成，无明显的元素污染。
支架生物相容性评估：活/死染色和CCK-8增殖检测显示，两种支架均具有良好的细胞相容性。在TDSCs共培养中，BTen支架表现出更高的细胞黏附密度和增殖活性，细胞沿支架有序结构定向排列；在BMSCs共培养中，BT支架更好地支持细胞生长，形成致密的3D细胞网络。CFD分析显示BT结构具有更高的相对渗透性，而BTen结构在相同流动条件下表现出更高的压差，表明不同孔隙结构产生不同的局部流体力学微环境。
体外肌腱向分化评估：免疫荧光、ELISA和RT-qPCR结果一致表明，BTen组在多个时间点显著上调肌腱向标志物COL I、SCX、TNMD和TNC的表达，蛋白沿细胞排列方向分布，形成典型的肌腱样组织结构。SCX和TNMD作为肌腱谱系定向和成熟的关键标志物，在BTen支架上持续高表达，表明仿生肌腱样结构有效诱导TDSCs早期向肌腱表型分化。
体外成骨能力评估：ALP和ARS染色及定量分析显示，BT组在7天和14天均表现出更强的ALP活性和矿化结节形成。免疫荧光、ELISA和RT-qPCR结果显示，BT组RUNX2、OCN、DCN和BMP-2的表达水平显著高于BTen组，表明仿生骨小梁样结构有效促进并维持BMSCs的成骨分化。
体内外观与X线观察：术后6周和12周，BTen和BR组假体顶部帽状区域表现出明显的软组织覆盖，而BT组顶部区域软组织覆盖有限。X线显示所有组假体均保持在预定位置，无明显骨折或结构损伤。
Micro-CT评估：BT和BR组在6周和12周的骨体积分数（BV/TV）和骨小梁厚度（Tb.Th）显著高于BTen组，骨小梁分离度（Tb.Sp）较低。新骨不仅分布于假体表面，还延伸至内部多孔结构。值得注意的是，6周时部分BTen样本出现假体位置异常和不同程度挤出，提示早期骨-假体界面整合不足可能导致界面微动增加。
组织学分析：HE和Masson染色显示，BT和BR组在12周时假体内部孔隙被大量骨小梁样骨组织填充，胶原基质连续分布，骨-假体界面紧密；BTen组组织填充仍以假体周围纤维组织为主，内部结构浸润有限。
免疫荧光染色：BR组顶部帽状区域以COL I和SCX阳性信号为主，体现肌腱向表型；主体区域以RUNX2和OCN阳性信号为主，体现成骨表型，表型分布与结构分区一致。BTen组肌腱向标志物丰富但成骨标志物表达弱，BT组成骨标志物显著而肌腱向标志物表达较低。
力学拔出测试：所有组最大拔出力量从6周到12周均增加。12周时BR组最大拔出力量显著高于BTen和BT组，BTen组高于BT组，表明区域特异性仿生设计增强了肌腱-假体界面的功能性机械稳定性。
五、讨论总结与结论
单一界面仿生策略不足以同时满足软组织附着和骨固定稳定性的双界面需求。仿生肌腱样有序结构促进软组织表型形成但骨长入能力有限，仿生骨小梁结构显著增强骨整合但未能优化软组织附着环境。通过在同一假体内进行结构分区的区域特异性仿生设计，可在不同区域独立调控肌腱生成和骨生成过程，实现体内更为协调稳定的异质性双界面组织整合。本研究系统验证了区域特异性仿生结构在细胞、组织和体内水平的多组织界面重建优势，为复杂骨缺损和关节重建中假体结构优化提供了具有明确生物学证据和转化潜力的设计思路。
