增材制造多孔骨植入體的生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)協(xié)同優(yōu)化

來源：EFL生物3D打印與生物制造

隨著醫(yī)療健康需求的持續(xù)增長,，骨組織修復(fù)與再生成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn),。作為人體主要的承重器官,，骨骼不僅需要滿足復(fù)雜的力學(xué)支撐要求，同時也承擔(dān)著活躍的生物學(xué)功能,，如細胞黏附,、血管生成和組織修復(fù)。傳統(tǒng)金屬植入體雖然具有優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性，但因其致密結(jié)構(gòu)和高剛度,，常導(dǎo)致應(yīng)力屏蔽,、骨吸收以及生物整合不足等問題，影響長期臨床效果,。近年來,，金屬增材制造（AM）技術(shù)的興起，使得構(gòu)建具有精確孔隙結(jié)構(gòu)的多孔骨植入體成為可能,，不僅能夠調(diào)控植入體的彈性模量和力學(xué)分布,，還能為細胞活動和血管生成提供理想微環(huán)境，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力,。

盡管增材制造多孔植入體在生物力學(xué)和力學(xué)生物學(xué)性能提升方面已取得積極進展,，但在實現(xiàn)真正高性能、長壽命植入體的道路上仍面臨諸多關(guān)鍵挑戰(zhàn),。本綜述系統(tǒng)探討以下三大關(guān)鍵問題：（a）多孔結(jié)構(gòu)在提升植入體生物力學(xué)穩(wěn)定性中的作用,，包括優(yōu)化應(yīng)力分布、降低應(yīng)力屏蔽,、增強疲勞耐久性和維持承載能力,；（b）多孔結(jié)構(gòu)在促進細胞附著、增殖與骨組織生長中的力學(xué)生物學(xué)機制,，以及在促進骨整合與長期再生中的關(guān)鍵作用,；（c）如何在設(shè)計中權(quán)衡結(jié)構(gòu)完整性與生物功能性之間的矛盾，制定兼顧力學(xué)與生物性能的優(yōu)化策略,。希望通過系統(tǒng)梳理關(guān)鍵因素與設(shè)計原則,，為基于增材制造的多孔骨植入體開發(fā)提供理論指導(dǎo)與應(yīng)用參考，推動該領(lǐng)域邁向更高水平的臨床轉(zhuǎn)化與實踐應(yīng)用,。

圖1 金屬多孔骨植入體的生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)作用機制示意圖

1. 多孔骨植入體的設(shè)計原則與策略
首先圍繞承重多孔骨植入體的設(shè)計需求,，系統(tǒng)總結(jié)了制造可行性、力學(xué)穩(wěn)定性與生物相容性三大基本設(shè)計原則,，并深入分析了孔隙率,、孔徑、孔形及材料特性等關(guān)鍵變量的調(diào)控策略,，討論了基于TPMS,、梯度多孔、拓撲優(yōu)化等先進方法的設(shè)計進展,，為實現(xiàn)仿生性能優(yōu)化提供了系統(tǒng)思路,。

圖2 多孔骨植入體設(shè)計原則示意圖

2. 多孔植入體的生物力學(xué)性能優(yōu)化
針對承重應(yīng)用對植入體力學(xué)性能的苛刻要求，綜述重點討論了彈性模量匹配,、應(yīng)力分布優(yōu)化,、疲勞性能提升及骨固定與長期穩(wěn)定性的研究進展,，闡明了不同孔隙設(shè)計對力學(xué)行為的調(diào)控機制，并梳理了利用有限元分析與拓撲優(yōu)化輔助設(shè)計的最新成果,。

圖3 多孔承重骨植入體設(shè)計中與天然骨彈性模量匹配的策略

圖4 多孔承重骨植入體設(shè)計應(yīng)力分布優(yōu)化策略

3. 多孔植入體的力學(xué)生物學(xué)作用機制
從細胞層面和組織層面出發(fā),，系統(tǒng)探討了多孔結(jié)構(gòu)在植入后調(diào)控血管生成,、模仿細胞外基質(zhì)（ECM）微環(huán)境,、促進細胞粘附、遷移與分化等生物過程的機理,。進一步指出了孔徑,、孔連通性與表面功能化等微結(jié)構(gòu)特征在力學(xué)生物學(xué)信號傳遞過程中的關(guān)鍵作用。

圖5 金屬多孔骨植入體血管生成的促進策略

圖6 金屬多孔骨植入體細胞外基質(zhì)仿生與細胞響應(yīng)增強機制

4. 挑戰(zhàn)與未來發(fā)展方向
最后,，綜述總結(jié)了當(dāng)前增材制造多孔植入體在設(shè)計,、制造與臨床轉(zhuǎn)化過程中面臨的主要挑戰(zhàn)，包括力學(xué)-生物性能平衡,、多尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化,、長周期疲勞可靠性驗證及個性化定制需求。展望了未來通過多材料打印,、智能響應(yīng)微結(jié)構(gòu)與機器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計等新興技術(shù),，推動該領(lǐng)域持續(xù)突破。

圖7 多孔骨植入體設(shè)計中的生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)協(xié)同優(yōu)化

本綜述圍繞增材制造承重多孔骨植入體,，從生物力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)兩大視角系統(tǒng)梳理了最新研究進展,，總結(jié)了關(guān)鍵設(shè)計策略與未來發(fā)展趨勢，旨在為高性能骨植入體的設(shè)計優(yōu)化,、智能制造及臨床應(yīng)用提供理論支持與實踐指導(dǎo),。相關(guān)論文以 “Biomechanics and Mechanobiology of Additively Manufactured Porous Load〣earing Bone Implants” 為題，發(fā)表在期刊《Small》上,，寧波大學(xué)金育安教授為第一作者兼通訊作者,，浙江大學(xué)賀永教授擔(dān)任共同通訊作者。該論文得到了國家自然科學(xué)基金和寧波市青年科技領(lǐng)軍人才項目的資助,。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202409955