浙大賀永等設計出3D打印仿生骨支架，讓骨骼修復更快、更牢固

來源：及旭同行

傳統(tǒng)骨植入物，力學強度高，比如說鈦合金鋼板，但是缺點是結(jié)構(gòu)致密不容易模擬天然骨骼的生物學特性，會引發(fā)骨愈合緩慢，并導致植入失敗。

3D打印可以解決這個問題，為骨折或骨缺損“定制骨植入物”，讓匹配、骨骼修復的效率變高。

來自寧波大學和浙大的研究團隊設計完成了這樣的仿生骨支架，即利用三周期極小曲面（TPMS）結(jié)構(gòu)+3D打印技術設計而來，它有著仿生力學特性，也能促骨再生功能。

寧波大學的金育安教授和浙大賀永教授領銜研發(fā)團隊，成果發(fā)表于2025年7月5日在Bio-Design and Manufacturing期刊（醫(yī)學1區(qū)TOP期刊，IF=7.6）上在線發(fā)表了。題目為Bone implants with triply periodic minimal surface architectures: design, fabrication, and biological performance（具有三周期極小曲面結(jié)構(gòu)的骨植入體: 設計、制造和生物學特性）。



研究文章全文，https://doi.org/10.1631/bdm.2400267

研究團隊借鑒了蝴蝶翅膀、海綿骨架，創(chuàng)新性地采用三周期極小曲面（TPMS）來設計骨支架。這種結(jié)構(gòu)特點是具有高孔隙率（55%-95%），其內(nèi)部相互貫通的孔道為血管生長和骨細胞遷移提供了理想環(huán)境。實驗數(shù)據(jù)顯示，當孔隙尺寸控制在300-600μm時，細胞增殖效率可提升2倍以上，而孔徑大于800μm時則更有利于營養(yǎng)物質(zhì)的運輸。

團隊通過梯度調(diào)控技術，使支架從外到內(nèi)呈現(xiàn)孔隙大小漸變（如外層800μm過渡到內(nèi)層300μm），成功復現(xiàn)了天然骨組織的密度分布特性。在力學性能方面，采用TPMS模型的支架展現(xiàn)出較好的適應性：其彈性模量可在2-20GPa范圍內(nèi)精確調(diào)控，與人體皮質(zhì)骨（約17GPa）和松質(zhì)骨（約0.5GPa）實現(xiàn)精準匹配。這種特性解決了傳統(tǒng)植入物存在的骨質(zhì)流失問題——當支架與骨骼的力學性能不匹配時，植入物承受了過多負荷，導致周圍骨組織因缺乏力學刺激而退化。通過壓縮試驗證實，TPMS結(jié)構(gòu)的屈服強度可達520MPa，遠高于傳統(tǒng)多孔支架的200MPa水平。



圖：3D打印技術助力微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器的感測機理、結(jié)構(gòu)設計、制備與應用

傳統(tǒng)制造工藝對TPMS的復雜幾何結(jié)構(gòu)束手無策，研究團隊采用國產(chǎn)激光粉末床融合（LPBF）技術（如華曙高科設備），配合自主研發(fā)的工藝參數(shù)包，成功實現(xiàn)了微米級精度的支架制造。在金屬支架方面，鈦合金（Ti-6Al-4V）支架的打印精度達到±25μm，孔隙率偏差小于2%；而鉭合金支架更展現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，動物實驗顯示其骨整合速度比傳統(tǒng)鈦支架快40%。在陶瓷材料領域，團隊采用數(shù)字光處理（DLP）技術制備的羥基磷灰石支架，其化學成分與天然骨礦物相相似度達95%，抗壓強度達到92MPa，可以滿足非承重部位的骨修復需要。



圖：利用3D打印技術制備不同類型的微結(jié)構(gòu)

特別值得一提的是，可降解聚合物支架，使用了聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）材料，降解速率可通過TPMS結(jié)構(gòu)設計調(diào)控在6-24個月范圍內(nèi)，與骨愈合周期相匹配。通過微CT掃描驗證，所有打印支架的孔道貫通率均超過99%，高于傳統(tǒng)發(fā)泡法制備支架的70%水平。此外，團隊開發(fā)的智能算法可將患者CT數(shù)據(jù)在8小時內(nèi)轉(zhuǎn)化為可打印的TPMS模型文件。

實驗數(shù)據(jù)顯示，TPMS支架與天然骨骼的力學特性高度匹配。在壓縮測試中，鈦合金TPMS支架的彈性模量穩(wěn)定在2.7-7.4GPa范圍內(nèi)，覆蓋了人體松質(zhì)骨到皮質(zhì)骨的力學需求。更令人驚喜的是，其疲勞壽命達到傳統(tǒng)多孔結(jié)構(gòu)的197%，即便模擬人體日�；顒樱�百萬次循環(huán)測試后仍保持結(jié)構(gòu)完整性。

這種優(yōu)異的抗疲勞性能主要歸功于TPMS獨特的曲面結(jié)構(gòu)，能有效分散應力，避免局部應力集中導致的裂紋擴展。

在細胞實驗中，成骨細胞在TPMS支架上的增殖速度達到傳統(tǒng)支架的2倍多。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，細胞能更好地貼附在TPMS的曲面上。動物實驗結(jié)果顯示，在兔子脛骨植入實驗中，僅6周就觀察到新生骨組織完全填充支架孔隙，新生血管密度達到35±8個/mm2，遠超對照組的12±3個/mm2。組織切片顯示，TPMS支架周圍的骨長入深度達到1.2±0.3mm，是傳統(tǒng)支架的2倍。

目前該技術已在臨床前試驗中成功應用于顱骨和頜面骨修復。一例犬下頜骨缺損模型顯示，使用定制化TPMS支架后，骨愈合時間從常規(guī)的12周縮短至8周。團隊開發(fā)的智能設計系統(tǒng)可根據(jù)患者CT數(shù)據(jù)，在24小時內(nèi)生成匹配度達95%以上的個性化支架模型。隨著國產(chǎn)3D打印設備的成熟，單個支架的制造成本已降低至傳統(tǒng)工藝的60%，這為未來大規(guī)模臨床應用提供了基礎。



圖：3D打印微結(jié)構(gòu)在生理信號監(jiān)測、動作識別以及軟體機器人領域的應用

這項突破性技術正在重塑骨科醫(yī)療的未來格局，其現(xiàn)實意義主要體現(xiàn)在三個維度：首先在個性化醫(yī)療方面，基于患者CT數(shù)據(jù)的智能算法可在8小時內(nèi)完成從影像掃描到可打印模型的全流程轉(zhuǎn)化，匹配精度達到亞毫米級（0.3-0.5mm）。臨床數(shù)據(jù)顯示，這種定制化支架的貼合度比標準型號提升40%，手術時間縮短30%。在普惠醫(yī)療層面，國產(chǎn)化設備帶來顯著成本優(yōu)勢。華曙高科最新研發(fā)的金屬3D打印機使單個鈦合金支架的制造成本控制在5000元以內(nèi)，僅為進口產(chǎn)品的1/3。配合團隊開發(fā)的云平臺，基層醫(yī)院也可實現(xiàn)遠程設計、集中打印的協(xié)作模式。最引人注目的是可降解鎂合金支架的突破。最新實驗表明，添加鋅、鈣元素的鎂合金TPMS支架在維持足夠力學強度（抗壓強度＞150MPa）的同時，降解速率可精準控制在6-18個月，匹配骨愈合周期。這意味著患者無需承受二次手術取出植入體的痛苦，相關醫(yī)療費用可降低50%。



圖：3D打印微結(jié)構(gòu)在柔性壓力傳感器領域的發(fā)展趨勢

柔性壓力傳感器的發(fā)展雖已取得顯著突破，但在仍面臨關鍵挑戰(zhàn)，重點集中在三大方向：

首先是多材料3D打印工藝的優(yōu)化，需要解決不同功能材料的界面融合與打印精度問題；其次是智能微結(jié)構(gòu)設計的創(chuàng)新，如何實現(xiàn)動態(tài)響應與靜態(tài)性能的平衡成為關鍵；最后是環(huán)境穩(wěn)定性的提升，特別是在復雜工況下的長期可靠性保障。通

過引入功能梯度結(jié)構(gòu)設計，可以顯著改善傳感器的靈敏度和量程范圍；開發(fā)具有刺激響應特性的智能微結(jié)構(gòu)，則有望實現(xiàn)自適應感知功能；而多維感知集成技術的突破，將使單一傳感器具備壓力、溫度等多參數(shù)同步檢測能力。這些創(chuàng)新將推動柔性壓力傳感器突破現(xiàn)有性能局限，在智能可穿戴設備、精準醫(yī)療監(jiān)測和沉浸式人機交互等高端應用場景發(fā)揮更大價值。特別是在醫(yī)療健康領域，新一代傳感器有望實現(xiàn)創(chuàng)面壓力動態(tài)監(jiān)測、康復訓練評估等創(chuàng)新應用，為智慧醫(yī)療發(fā)展提供關鍵技術支撐。

通訊作者簡介




金育安，寧波大學機械工程與力學學院教授，入選寧波市青年科技創(chuàng)新領軍人才、寧波市領軍與拔尖人才第三層次。博士畢業(yè)于浙江大學機械制造及其自動化專業(yè)，主要研究方向為 3D 打印多功能結(jié)構(gòu)與器件。主持國家自然科學基金、浙江省自然科學基金等科研項目 10 項，以第一/通訊作者發(fā)表 SCI/EI 收錄學術論文 38 篇，其中 TOP 期刊論文 15 篇，論文被引用超 2000 次，授權(quán)國家發(fā)明專利 15 項。更多資料，http://eng.nbu.edu.cn/info/1494/18802.htm



賀永，國家杰出青年科學基金獲得者，互聯(lián)網(wǎng)+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國賽金獎指導教師，浙江省首席科學傳播專家�，F(xiàn)任浙江大學求是特聘教授，流體動力基礎件與機電系統(tǒng)全國重點實驗室副主任，長三角國創(chuàng)中心超精密與生物制造研究所所長，Bio-Design Manufacturing 期刊副主編、Biofabrication期刊編委。從事增材制造及生物制造研究工作，主持杰青、基金重點、聯(lián)合基金重點等國家自然科學基金6項，基金委創(chuàng)新群體項目“運動系統(tǒng)組織工程與再生研究”核心成員，出版生物3D打印專著2本，授權(quán)發(fā)明專利50余件，在Science Translational Medicine、Nature Protocols、Nature Reviews Bioengineering、Cell Biomaterials等期刊發(fā)表SCI論文100余篇，H因子70，論文被引1.5萬余次。兼任機械工程學會生物制造分會常務委員、生物材料學會先進制造分會副主任委員、國家醫(yī)用增材制造標準委員會委員，創(chuàng)建EFL品牌（Engineering for Life），致力于醫(yī)工交叉研究及成果轉(zhuǎn)化。更多閱讀，https://person.zju.edu.cn/heyongzju