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3D打印精準定制骨缺損修復支架的利器

來源：杰呈3D打印發(fā)布時間：2025-11-06 09:30:52 瀏覽次數(shù)：0次

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3D打印技術(shù)最大的優(yōu)勢就是可以控制包括桿徑，孔徑，孔隙率，表面積等參數(shù)。實際上，較高孔隙率及孔隙大小更利于骨長入，但是這會降低支架的力學強度，而較大的表面積則利于細胞的增殖、黏附。為了得到兼具力學性能和生物學性能的支架，我們需要對支架模型的孔徑，桿徑，表面積，孔隙率等分析。

支架模型設(shè)計與分析

因此我們通過計算機軟件分別設(shè)計出3組鉆石結(jié)構(gòu)和3組簡單立方結(jié)構(gòu)支架模型，設(shè)定桿徑分別為0.15mm、0.20mm和0.25mm；孔徑大小100μm到500μm之間。軟件分別測算六組支架模型在相同桿徑下隨著孔徑變化時支架的表面積增肌率和孔隙率的變化關(guān)系，進而初步篩選出兼具力學性能和生物學性能的支架。

建模設(shè)計出了具有不同桿徑（分別為0.15mm,0.2mm和0.25mm）的鉆石結(jié)構(gòu)和簡單立方結(jié)構(gòu)的兩類支架，每組建模圖的桿徑不變，而孔徑逐漸增大。眾所周知，孔徑在200 - 500μm之間的，孔隙率為60 - 90%左右為有利于骨組織和血管組織的長入。六組支架中當桿徑一定時，隨著設(shè)計支架孔徑的增加，支架的表面積增加率與孔隙率成負相關(guān)性，當孔隙率為80%左右時，支架的表面積增加率為80% - 100%，且處于一個相對平衡的狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)分析我們可以認為孔隙率約80%時，支架兼具了良好的力學與生物學性能。

支架打印與性能測試

我們將設(shè)計好的支架模型通過SLM打印技術(shù)打印出兩組不同的結(jié)構(gòu)單元，分別為鉆石結(jié)構(gòu)和簡單立方結(jié)構(gòu)。支架表面呈銀光色，鉆石結(jié)構(gòu)及立方結(jié)構(gòu)清晰，酸蝕前的鈦支架表面較平滑，可見少量雜質(zhì)顆粒，而經(jīng)酸蝕處理后鈦表面粗糙，出現(xiàn)了類似蜂窩樣結(jié)構(gòu)。隨著桿徑的增大，多孔鈦支架的實際孔隙率與設(shè)計孔隙率越接近，相對誤差率也越小。

抗彎曲強度及彈性模量測試

樣件放在固定距離的一對支撐點上，用垂直向下的的荷載施加在試件的中點上方，增大荷載使試件彎曲，直至樣件從中點處斷裂。為了測量各組支架的抗彎曲強度及彈性模量，使用電液伺服疲勞試驗機（INSTRON，8872，美國）進行常溫下靜態(tài)三點彎曲試驗。每組5個樣件進行彎曲測試直至樣件折斷，試驗參數(shù)為：跨距40mm，加載速率5.0mm/min，記錄實驗過程中的彎曲應(yīng)變，彎曲應(yīng)力，用機器自帶軟件計算彈性模量，分析兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的支架與下頜骨皮質(zhì)骨的力學適配性，與人下頜骨皮質(zhì)骨力學性能進行對比，從而分析支架的機械力學性能。

相同孔隙率的鉆石結(jié)構(gòu)組多孔支架的抗彎曲強度隨著桿徑增大而逐漸降低，而作為對照組的簡單立方結(jié)構(gòu)的多孔支架也展現(xiàn)了良好的力學性能，彈性模量與下頜骨皮質(zhì)骨相適配。因此本研究中的四組支架不僅可以與下頜骨皮質(zhì)骨的彈性模量相匹配，而且保證了支架具有較高的抗彎曲強度，可以滿足骨組織支架的強度需求。鉆石結(jié)構(gòu)與簡單立方結(jié)構(gòu)支架均與人下頜骨皮質(zhì)骨具有良好的力學適配性，故我們選定桿徑同為0.25mm的兩種結(jié)構(gòu)支架進行微弧氧化處理。

表面形貌觀察

將經(jīng)微弧氧化處理前后的四組多孔鈦支架分別于掃描電子顯微鏡（SEM）觀察表面形貌。微弧氧化技術(shù)在3D打印宏多孔鈦支架表面制備出微納米孔結(jié)構(gòu)，形成宏孔和微孔結(jié)構(gòu)的多級孔洞支架。因簡單立方和鉆石結(jié)構(gòu)的鈦支架，用的都是純鈦粉且微弧氧化電解液一致，遂在該組實驗中，我們選擇經(jīng)微弧氧化前后鉆石結(jié)構(gòu)的材料進行EDS元素分析。

鈦基金屬材料在骨修復中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

生物材料替代了自體骨移植方法，為創(chuàng)傷、炎癥、腫瘤切除和先天性畸形所致骨缺損的治療提供了新的策略。雖然目前大多修復大塊骨缺損的研究都是集中在可降解材料如鎂基金屬材料和非可降解材料如羥基磷灰石之類的材料，但鈦基金屬才是真正的用于臨床中的材料。作為少數(shù)能夠直接與人骨相接觸的材料，鈦及鈦合金因其穩(wěn)定的機械力學性能及良好的生物相容性廣泛應(yīng)用于骨及牙科的臨床中。

鈦及鈦合金在未經(jīng)處理的情況下生物學活性往往較低，因此在植入術(shù)后，會導致結(jié)合強度低或骨整合效率低下等問題。那么，現(xiàn)在很多國內(nèi)外學者通過對植入體表面進行改性處理，提高其生物學活性，使種植體表面和骨組織間發(fā)生良好的生物學反應(yīng)，從而更高效的促進新骨形成，達到快速成骨和提高骨整合效果，從而完成縮短手術(shù)周期和提高成功率的目的。

血管化與骨再生

越來越多的證據(jù)表明，骨和成骨中的血管生成過程是耦合的。血管在促進骨愈合中起著重要作用，因為它們不僅能輸送必需的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，還能將成骨細胞輸送到骨缺損區(qū)域，甚至分泌骨誘導生長因子。已有文獻證明，在組織工程中應(yīng)用血管化策略可以明顯促進骨再生。然而，制備具有利于血管長入的孔洞和管道結(jié)構(gòu)依然是一個挑戰(zhàn)。