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

來(lái)源：及旭同行

傳統(tǒng)骨植入物，力學(xué)強(qiáng)度高，比如說(shuō)鈦合金鋼板，但是缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)致密不容易模擬天然骨骼的生物學(xué)特性，會(huì)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(gè)問(wèn)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(lái)自寧波大學(xué)和浙大的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jì)而來(lái)，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(duì)，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(jì)、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(duì)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(lái)設(shè)計(jì)骨支架。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(zhǎng)和骨細(xì)胞遷移提供了理想環(huán)境。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)孔隙尺寸控制在300-600μm時(shí)，細(xì)胞增殖效率可提升2倍以上，而孔徑大于800μm時(shí)則更有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(guò)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(shí)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(wèn)題——當(dāng)支架與骨骼的力學(xué)性能不匹配時(shí)，植入物承受了過(guò)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(guò)壓縮試驗(yàn)證實(shí)，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(cè)機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用

傳統(tǒng)制造工藝對(duì)TPMS的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)束手無(wú)策，研究團(tuán)隊(duì)采用國(guó)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(shí)現(xiàn)了微米級(jí)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(duì)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(guò)TPMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控在6-24個(gè)月范圍內(nèi)，與骨愈合周期相匹配。通過(guò)微CT掃描驗(yàn)證，所有打印支架的孔道貫通率均超過(guò)99%，高于傳統(tǒng)發(fā)泡法制備支架的70%水平。此外，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的智能算法可將患者CT數(shù)據(jù)在8小時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)化為可打印的TPMS模型文件。

實(shí)驗(yàn)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(cè)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�；顒�(dòng)，百萬(wàn)次循環(huán)測(cè)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?dú)w功于TPMS獨(dú)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(shí)驗(yàn)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(guò)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在兔子脛骨植入實(shí)驗(yàn)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(gè)/mm2，遠(yuǎn)超對(duì)照組的12±3個(gè)/mm2。組織切片顯示，TPMS支架周圍的骨長(zhǎng)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(yàn)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(shí)間從常規(guī)的12周縮短至8周。團(tuán)隊(duì)開發(fā)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)可根據(jù)患者CT數(shù)據(jù)，在24小時(shí)內(nèi)生成匹配度達(dá)95%以上的個(gè)性化支架模型。隨著國(guó)產(chǎn)3D打印設(shè)備的成熟，單個(gè)支架的制造成本已降低至傳統(tǒng)工藝的60%，這為未來(lái)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(hào)監(jiān)測(cè)、動(dòng)作識(shí)別以及軟體機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

這項(xiàng)突破性技術(shù)正在重塑骨科醫(yī)療的未來(lái)格局，其現(xiàn)實(shí)意義主要體現(xiàn)在三個(gè)維度：首先在個(gè)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(shí)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(jí)（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(hào)提升40%，手術(shù)時(shí)間縮短30%。在普惠醫(yī)療層面，國(guó)產(chǎn)化設(shè)備帶來(lái)顯著成本優(yōu)勢(shì)。華曙高科最新研發(fā)的金屬3D打印機(jī)使單個(gè)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(duì)開發(fā)的云平臺(tái)，基層醫(yī)院也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)、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(shí)驗(yàn)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(shí)，降解速率可精準(zhǔn)控制在6-18個(gè)月，匹配骨愈合周期。這意味著患者無(wú)需承受二次手術(shù)取出植入體的痛苦，相關(guān)醫(yī)療費(fèi)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(shì)

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(diǎn)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(wèn)題；其次是智能微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(zhǎng)期可靠性保障。通

過(guò)引入功能梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)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(cè)能力。這些創(chuàng)新將推動(dòng)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(cè)和沉浸式人機(jī)交互等高端應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)揮更大價(jià)值。特別是在醫(yī)療健康領(lǐng)域，新一代傳感器有望實(shí)現(xiàn)創(chuàng)面壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、康復(fù)訓(xùn)練評(píng)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(jiǎn)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(dòng)化專業(yè)，主要研究方向?yàn)?3D 打印多功能結(jié)構(gòu)與器件。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目 10 項(xiàng)，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(guó)家發(fā)明專利 15 項(xiàng)。更多資料，http://eng.nbu.edu.cn/info/1494/18802.htm



賀永，國(guó)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(guó)賽金獎(jiǎng)指導(dǎo)教師，浙江省首席科學(xué)傳播專家�，F(xiàn)任浙江大學(xué)求是特聘教授，流體動(dòng)力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，長(zhǎng)三角國(guó)創(chuàng)中心超精密與生物制造研究所所長(zhǎng)，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(diǎn)、聯(lián)合基金重點(diǎn)等國(guó)家自然科學(xué)基金6項(xiàng)，基金委創(chuàng)新群體項(xiàng)目“運(yùn)動(dòng)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(wàn)余次。兼任機(jī)械工程學(xué)會(huì)生物制造分會(huì)常務(wù)委員、生物材料學(xué)會(huì)先進(jìn)制造分會(huì)副主任委員、國(guó)家醫(yī)用增材制造標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)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