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(xì)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(xì)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(jìn)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(qiáng)疲勞耐久性和維持承載能力；（b）多孔結(jié)構(gòu)在促進(jìn)細(xì)胞附著、增殖與骨組織生長中的力學(xué)生物學(xué)機(jī)制，以及在促進(jìn)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(jī)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?fù)鋬?yōu)化等先進(jìn)方法的設(shè)計進(jìn)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(jìn)展，闡明了不同孔隙設(shè)計對力學(xué)行為的調(diào)控機(jī)制，并梳理了利用有限元分析與拓?fù)鋬?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(jī)制
從細(xì)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(xì)胞外基質(zhì)（ECM）微環(huán)境、促進(jìn)細(xì)胞粘附、遷移與分化等生物過程的機(jī)理。進(jìn)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(jìn)策略

圖6 金屬多孔骨植入體細(xì)胞外基質(zhì)仿生與細(xì)胞響應(yīng)增強(qiáng)機(jī)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(jī)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(jìn)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