浙大賀永等設(shè)計出3D打印仿生骨支架，讓骨骼修復(fù)更快、更牢固

來源：及旭同行

傳統(tǒng)骨植入物，力學(xué)強(qiáng)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(xué)特性，會引發(fā)骨愈合緩慢，并導(dǎo)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(fù)的效率變高。

來自寧波大學(xué)和浙大的研究團(tuán)隊設(shè)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(shù)設(shè)計而來，它有著仿生力學(xué)特性，也能促骨再生功能。

寧波大學(xué)的金育安教授和浙大賀永教授領(lǐng)銜研發(fā)團(tuán)隊，成果發(fā)表于2025年7月5日在Bio-Design and Manufacturing期刊（醫(yī)學(xué)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(shè)計、制造和生物學(xué)特性）。



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

研究團(tuán)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(shè)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(xì)胞遷移提供了理想環(huán)境。實驗數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)孔隙尺寸控制在300-600μm時，細(xì)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(tuán)隊通過梯度調(diào)控技術(shù)，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(fù)現(xiàn)了天然骨組織的密度分布特性。在力學(xué)性能方面，采用TPMS模型的支架展現(xiàn)出較好的適應(yīng)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(zhǔn)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(dāng)支架與骨骼的力學(xué)性能不匹配時，植入物承受了過多負(fù)荷，導(dǎo)致周圍骨組織因缺乏力學(xué)刺激而退化。通過壓縮試驗證實，TPMS結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度可達(dá)520MPa，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)多孔支架的200MPa水平。



圖：3D打印技術(shù)助力微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器的感測機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備與應(yīng)用

傳統(tǒng)制造工藝對TPMS的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)束手無策，研究團(tuán)隊采用國產(chǎn)激光粉末床融合（LPBF）技術(shù)（如華曙高科設(shè)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(dá)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(lǐng)域，團(tuán)隊采用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)制備的羥基磷灰石支架，其化學(xué)成分與天然骨礦物相相似度達(dá)95%，抗壓強(qiáng)度達(dá)到92MPa，可以滿足非承重部位的骨修復(fù)需要。



圖：利用3D打印技術(shù)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(shè)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(tuán)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(xué)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(xué)需求。更令人驚喜的是，其疲勞壽命達(dá)到傳統(tǒng)多孔結(jié)構(gòu)的197%，即便模擬人體日常活動，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(yīng)力，避免局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展。

在細(xì)胞實驗中，成骨細(xì)胞在TPMS支架上的增殖速度達(dá)到傳統(tǒng)支架的2倍多。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，細(xì)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(dá)到35±8個/mm2，遠(yuǎn)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(dá)到1.2±0.3mm，是傳統(tǒng)支架的2倍。

目前該技術(shù)已在臨床前試驗中成功應(yīng)用于顱骨和頜面骨修復(fù)。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(tuán)隊開發(fā)的智能設(shè)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(dá)95%以上的個性化支架模型。隨著國產(chǎn)3D打印設(shè)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(yīng)用提供了基礎(chǔ)。



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(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

這項突破性技術(shù)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)型號提升40%，手術(shù)時間縮短30%。在普惠醫(yī)療層面，國產(chǎn)化設(shè)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(jī)使單個鈦合金支架的制造成本控制在5000元以內(nèi)，僅為進(jìn)口產(chǎn)品的1/3。配合團(tuán)隊開發(fā)的云平臺，基層醫(yī)院也可實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)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(xué)強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度＞150MPa）的同時，降解速率可精準(zhǔn)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(shù)取出植入體的痛苦，相關(guān)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(lǐng)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(guān)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(shè)計的創(chuàng)新，如何實現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)與靜態(tài)性能的平衡成為關(guān)鍵；最后是環(huán)境穩(wěn)定性的提升，特別是在復(fù)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(shè)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(yīng)特性的智能微結(jié)構(gòu)，則有望實現(xiàn)自適應(yīng)感知功能；而多維感知集成技術(shù)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(shè)備、精準(zhǔn)醫(yī)療監(jiān)測和沉浸式人機(jī)交互等高端應(yīng)用場景發(fā)揮更大價值。特別是在醫(yī)療健康領(lǐng)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(fù)訓(xùn)練評估等創(chuàng)新應(yīng)用，為智慧醫(yī)療發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

通訊作者簡介




金育安，寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院教授，入選寧波市青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、寧波市領(lǐng)軍與拔尖人才第三層次。博士畢業(yè)于浙江大學(xué)機(jī)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(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金等科研項目 10 項，以第一/通訊作者發(fā)表 SCI/EI 收錄學(xué)術(shù)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(xué)基金獲得者，互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國賽金獎指導(dǎo)教師，浙江省首席科學(xué)傳播專家。現(xiàn)任浙江大學(xué)求是特聘教授，流體動力基礎(chǔ)件與機(jī)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(xué)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(jī)械工程學(xué)會生物制造分會常務(wù)委員、生物材料學(xué)會先進(jìn)制造分會副主任委員、國家醫(yī)用增材制造標(biāo)準(zhǔn)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