骨缺损通常伴骨髓炎、软组织挫伤等，治疗过程漫长且愈合速度缓慢，严重危害人体骨组织结构的完整性。目前，骨缺损的治疗主要采用自体或异体骨移植，但自体骨移植存在手术时间长、疼痛加重、感染并发症等问题，而免疫排斥反应也限制同种异体骨移植的效果。骨支架已成为有潜力的骨移植替代品，但存在骨支架边缘尖锐与人体组织的相容性不佳等问题。三周期极小曲面（TPMS）是平均曲率为零的结构，相较于其他结构，TPMS结构具有较低水平应力集中、能以数学公式精确表达等特点，在骨支架中的应用备受瞩目，但不同类型TPMS对骨支架性能的影响目前尚缺乏全面认识。为此，笔者就不同类型TPMS对骨支架性能影响的研究进展进行综述，为骨支架的构建提供参考。

目的 分析对比钛合金晶体多孔支架和三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TP MS)多孔支架的强度,探索孔隙率对等效弹性模量和渗透性的影响.方法 构建相同孔隙率的晶体多孔支架(cell1～4)和TPMS多孔支架(P、G、D和FKS型),利用有限元仿真方法,计算支架的等效弹性模量、等效屈服强度和渗透率.结果 8种支架的弹性模量为5.1～10.4 GPa,屈服强度为69～110 MPa,4种晶体支架的渗透率为0.015～0.030 mm2.结论 随着孔隙率的增加,支架的弹性模量和屈服强度逐渐降低,渗透率逐渐升高;cell 2型支架因其较高的弹性模量和屈服强度,适合用于承重骨部位缺损的修复;cell 3型支架应力分布均匀,且线弹性阶段较长,可能适用于膝关节假体的多孔胫骨平台设计.

由外伤和疾病所致的骨缺损患者逐年增多,而骨缺损的治疗仍然是临床上的一大难题.目前骨缺损的治疗手段主要包括自体骨移植和同种异体骨移植,然而这些方法的应用受到诸多限制.近年来,骨支架作为骨缺损修复的研究热点备受关注.三周期极小曲面(TPMS)骨支架作为构建骨支架的热门选择之一,其生物学性能成为当前研究的重点.渗透性、比表面积、生物相容性和生物降解性等因素被认为是影响TPMS骨支架生物学性能的关键因素.本文对TPMS骨支架生物学性能研究进展进行综述.

背景:传统骨植入物的弹性模量较大,与人体骨弹性模量不匹配,会引起应力遮挡效应,从而导致骨吸收.径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架具有与人体松质骨匹配的弹性模量,且屈服强度大于人体皮质骨屈服强度,为骨支架设计提供了一种新的选择.目的:通过隐式曲面法构建径向梯度三周期极小曲面结构,采用激光选区熔化技术制备样件,进行准静态压缩实验,得到力学性能与人体骨骼匹配的骨小梁支架.方法:通过隐式曲面法,建立G型、Ⅰ型、P型和D型4种径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架;采用激光选区熔化技术制备样件,观测成型样件的表面形貌,评估成型质量,进行准静态压缩实验,评估样件的力学性能.结果与结论:准静态压缩实验结果表明,对比4种径向梯度三周期极小曲面支架,G支架平台应力波动小,没有出现失效断裂,塑性最好;对45%,55%和65%3种孔隙率G支架的力学性能进行分析,发现55%孔隙率G支架的弹性模量在人体松质骨的弹性模量范围内(0.022-3.7 GPa),屈服强度接近人体皮质骨最大屈服强度(187.7-222.3 MPa).结果显示,55%孔隙率的G型径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架能够降低应力遮挡效应,承受较高人体载荷,提高植入物的稳定性,延长植入物的使用寿命.

目的 基于3D打印三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)基元支架,探索不同孔径对成骨细胞MC3T3-E1增殖和分化的影响,为3D打印个性化假体多孔结构的设计提供理论基础.方法 基于TPMS和选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)设计和制造具有3种孔径(400 μm、600μm和800μm)的TPMS基元支架.将不同孔径的支架与成骨细胞MC3T3-E1共培养,通过细胞计数试剂(cell counting kit-8,CCK-8)、细胞骨架染色、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性和蛋白质印迹法(western blot,WB)分析评价其对成骨细胞增殖和分化的影响.结果 扫描电镜显示成功制造了不同孔径的3D打印TPMS基元支架,并且成骨细胞MC3T3-E1在支架中展现了良好的黏附性.CCK-8实验的结果表明,随着孔径的增大,MC3T3-E1的增殖性也明显增加.此外,TPMS基元支架在孔径大小为600μm时ALP的活性最高.WB分析进一步发现Ⅰ型胶原蛋白(collagen type Ⅰ,ColⅠ)、Runt 相关转录因子 2(Runt related transcription factor 2,Runx2)和骨桥蛋白(osteopontin,OPN)在 600 μm组的表达同样最高.结论 随着孔径的增大,3D打印TPMS基元支架更有助于成骨细胞增殖,而在孔径大小为600 μm时最有助于成骨细胞分化.

目的 分析对比杆状与片状三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)模型孔隙特征与力学性能,构建高比表面积、低刚度和高强度的多孔结构.方法 构建相同孔隙率的D、G、P 3种单元杆状TPMS与片状TPMS模型,对比模型的孔径、杆径、比表面积等孔隙特征;利用有限元方法分析模型的力学性能;采用增材制造技术制作多孔钛样件,利用显微镜和扫描电镜观测多孔钛孔隙特征,通过压缩试验检测多孔钛力学性能.结果 同种单元片状结构的比表面积均显著高于杆状结构,同种单元片状结构的力学性能明显优于杆状结构.其中,D单元片状TPMS模型的优势最显著,比表面积为13.00 mm-1,多孔钛样件的弹性模量、屈服强度和抗压强度分别为(5.65±0.08)GPa、(181.03±1.30)MPa 和(239.83±0.45)MPa,比杆状多孔钛样件分别提高43.87％、55.08％和67.21％.结论 相同单元的片状TPMS模型在保留有多孔结构低刚度的同时,有更大的比表面积,更有利于细胞的黏附生长,其低刚度、更高强度的力学特性能有效降低应力遮挡,提供足够的力学支撑,是一种理想的骨缺损修复替代物孔隙结构模型.

为建立具有良好生物学性能的骨支架结构,本文基于螺旋(G)型、菱形(D)型三周期极小曲面(TPMS),设计了两种新型梯度TPMS支架:双向线性渐变G型(L-G型)支架、D型/G型融合(N-G型)支架,并通过压缩仿真获得了两种支架的结构力学性能参数.然后,本文通过计算流体动力学(CFD)仿真获得了支架内流体的流动性能参数,并由达西定律计算出两种支架的渗透率.基于组织分化理论,本研究预测了两种支架的组织分化面积.研究结果显示,L-G型支架较N-G型支架的承载能力更强,而N-G型支架在渗透率及软骨组织分化面积等生物学性能方面更优.L-G型和N-G型支架的建模过程为骨支架的设计提供了一种新思路,文中的仿真分析也可为支架植入人体后的骨整合预测提供参考.

背景:3D打印骨小梁结构是新兴技术之一,其特有的结构和生物力学特性满足更多患者的临床需求,是未来精准医学的发展方向之一,但这一技术目前仍处于初步应用阶段,理论应用研究较少.目的:建立基于三周期极小化曲面单元结构的骨小梁假体生物力学有限元模型,分析不同曲面结构的生物力学性能差异.方法:以Matable软件根据函数公式生成曲面片结构,然后应用Magics 19.0设计三周期极小化曲面单元结构骨小梁假体,并在ABAQUS划分四面体网格,模拟人体站立状态下的受力环境.分析应力分布与位移,比较在宿主环境下的生物力学差异.结果 与结论:①S曲面结构、D曲面结构、G曲面结构因孔隙率差异不大,生物力学差异不明显,相较于传统结构有明显改变,生物力学性能更优;②多孔结构的空隙率决定了假体的生物力学性能;③多孔结构假体的复合层出现层间结合容易出现应力突变现象;④多孔结构假体会明显减少植入体与宿主骨之间产生严重的应力遮挡效应.

背景:增材制造技术可以精确、个性化地定制具有复杂多孔结构的骨支架,达到恢复临界骨缺损区域松质骨结构和功能的效果.目的:通过材料学和细胞学表征,明确三周期极小曲面结构β-磷酸三钙生物陶瓷骨支架的机械性能及生物活性,揭示三周期极小曲面结构对成骨细胞的调控效果.方法:通过Matlab R2020a软件设计330,420,510μm 3种孔径的三周期极小曲面G曲面支架,Inspire 2018软件分析支架结构设计.以三周期极小曲面结构导出后的STL文件为蓝本,通过基于数字激光加工的增材制造技术制备3种β-磷酸三钙生物陶瓷支架,采用扫描电镜观测支架表面形貌,X射线衍射仪检测物相组成,万能材料试验机检测支架的力学强度.将MC3T3-E1细胞与3种支架共培养,检测细胞的增殖活性、黏附能力与碱性磷酸酶活性.结果 与结论:①Inspire 2018软件显示,三周期极小曲面呈现出光滑、连续、均一的贯通式多孔结构;②扫描电镜下可见,基于数字激光加工的增材制造技术成功实现了三周期极小曲面结构的精确成型;③X射线衍射结果证实,支架由纯β-磷酸三钙晶相组成;④3组支架的压缩强度和弹性模量均处于或接近松质骨力学强度范围,且支架的压缩强度与孔径大小呈反比;⑤CCK8实验显示,MC3T3-E1细胞在3种支架上生长良好,生物活性与孔径呈现剂量依赖关系,510μm孔径促进细胞增殖效果最佳;⑥活细胞成像仪和激光共聚焦显微镜下可见,MC3T3-E1细胞能够在3种支架上实现早期黏附,且黏附量随孔径增大而增加;⑦碱性磷酸酶活性分析表明,420μm孔径支架上细胞的碱性磷酸酶活性最高;⑧结果表明,三周期极小曲面结构β-磷酸三钙生物陶瓷支架表现出较好的机械性能与生物活性,其中420μm孔径有利于促进细胞分化,510μm孔径有利于细胞增殖,具有修复临界骨缺损的应用潜力.

背景:近年来骨组织工程支架结构应用广泛,但其稳定性、可控性较差并易产生应力集中.三周期极小曲面具有多孔性、光滑性、连通性、多样性及可控性等诸多优点,为骨组织支架设计及应用提供了新思路.目的:基于隐式曲面法构建骨小梁结构,应用有限元数值模拟方法及拓扑优化技术对其进行结构优化.方法:①基于隐式曲面法参数化构建三周期极小曲面结构,构建三周期极小曲面S-P型、D型和G型骨小梁结构;②采用有限元数值模拟方法对构建的骨小梁结构进行压缩仿真;③利用变密度法和固体各向同性材料惩罚模型建立S-P骨小梁结构拓扑优化数学模型,进行结构优化.结果 与结论:①应力云图显示,3种骨小梁结构在单元结构相交处呈现较大应力值,S-P型出现在单元径向连接处,G型出现在轴向连接处,D型在轴向和径向连接处均有,S-P、G、D型骨小梁结构的等效应力分别为105.07,694.78,637.36 MPa;②位移云图显示,3种骨小梁结构接近施加位移面的部分位移最大,沿轴向递减,S-P型的总形变小于G、D型;③3种骨小梁结构的孔隙率均高于50％,其中S-P型孔隙率最高,达到90.7％,孔径为0.63 mm,骨长入性能优于G、D型;④经拓扑优化后,S-P型骨小梁结构的等效应力为149.11 MPa,质量减少13.9％,符合骨组织支架设计要求;⑤结果显示,基于三周期极小曲面参数化建模结合有限元数值模拟及拓扑优化方法对骨小梁结构进行设计优化,为骨植入物表面结构设计提供了新思路.