增材制造多孔骨植入體的生物力學與力學生物學協(xié)同優(yōu)化

隨著醫(yī)療健康需求的持續(xù)增長，骨組織修復與再生成為生物醫(yī)學工程領(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雜的力學支撐要求，同時也承擔著活躍的生物學功能，如細胞黏附、血管生成和組織修復。傳統(tǒng)金屬植入體雖然具有優(yōu)異的力學性能和生物相容性，但因其致密結(jié)構(gòu)和高剛度，常導致應力屏蔽、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)出巨大的應用潛力。

盡管增材制造多孔植入體在生物力學和力學生物學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穩(wěn)定性中的作用，包括優(yōu)化應力分布、降低應力屏蔽、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生物學機制，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)提供理論指導與應用參考，推動該領(lǐng)域邁向更高水平的臨床轉(zhuǎn)化與實踐應用。

圖1 金屬多孔骨植入體的生物力學與力學生物學作用機制示意圖

1. 多孔骨植入體的設計原則與策略
首先圍繞承重多孔骨植入體的設計需求，系統(tǒng)總結(jié)了制造可行性、力學穩(wěn)定性與生物相容性三大基本設計原則，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 多孔骨植入體設計原則示意圖

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

圖3 多孔承重骨植入體設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計應力分布優(yōu)化策略

3. 多孔植入體的力學生物學作用機制
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)特征在力學生物學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)了當前增材制造多孔植入體在設計、制造與臨床轉(zhuǎn)化過程中面臨的主要挑戰(zhàn)，包括力學-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、智能響應微結(jié)構(gòu)與機器學習輔助設計等新興技術(shù)，推動該領(lǐng)域持續(xù)突破。

圖7 多孔骨植入體設計中的生物力學與力學生物學協(xié)同優(yōu)化

本綜述圍繞增材制造承重多孔骨植入體，從生物力學與力學生物學兩大視角系統(tǒng)梳理了最新研究進展，總結(jié)了關(guān)鍵設計策略與未來發(fā)展趨勢，旨在為高性能骨植入體的設計優(yōu)化、智能制造及臨床應用提供理論支持與實踐指導。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，寧波大學金育安教授為第一作者兼通訊作者，浙江大學賀永教授擔任共同通訊作者。該論文得到了國家自然科學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

來源：EFL生物3D打印與生物制造