隨著醫(yī)療健康需求的持續(xù)增長(zhǎng)，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(shí)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(wèn)題，影響長(zhǎng)期臨床效果。近年來(lái)，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(dòng)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(shí)現(xiàn)真正高性能、長(zhǎng)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(wèn)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(zhǎng)中的力學(xué)生物學(xué)機(jī)制，以及在促進(jìn)骨整合與長(zhǎng)期再生中的關(guān)鍵作用；（c）如何在設(shè)計(jì)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(guò)系統(tǒng)梳理關(guān)鍵因素與設(shè)計(jì)原則，為基于增材制造的多孔骨植入體開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)與應(yīng)用參考，推動(dòng)該領(lǐng)域邁向更高水平的臨床轉(zhuǎn)化與實(shí)踐應(yīng)用。
 

1. 多孔骨植入體的設(shè)計(jì)原則與策略
      首先圍繞承重多孔骨植入體的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)仿生性能優(yōu)化提供了系統(tǒng)思路。
 

2. 多孔植入體的生物力學(xué)性能優(yōu)化
針對(duì)承重應(yīng)用對(duì)植入體力學(xué)性能的苛刻要求，綜述重點(diǎn)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(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究進(jìn)展，闡明了不同孔隙設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)的最新成果。
 

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(guò)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(hào)傳遞過(guò)程中的關(guān)鍵作用。
 

4. 挑戰(zhàn)與未來(lái)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(jì)、制造與臨床轉(zhuǎn)化過(guò)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(zhǎng)周期疲勞可靠性驗(yàn)證及個(gè)性化定制需求。展望了未來(lái)通過(guò)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(jì)等新興技術(shù)，推動(dòng)該領(lǐng)域持續(xù)突破。
 

      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(jì)策略與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，旨在為高性能骨植入體的設(shè)計(jì)優(yōu)化、智能制造及臨床應(yīng)用提供理論支持與實(shí)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(guó)家自然科學(xué)基金和寧波市青年科技領(lǐng)軍人才項(xiàng)目的資助。

文章來(lái)源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202409955

(責(zé)任編輯：admin)

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