仿生三周期极小曲面支架的力学性能与细胞附着评价：面向骨组织工程的增材制造研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Mechanical and Cell attachment Evaluation of Additively Manufactured Biomimetic Architected Scaffolds for Tissue Engineering

本研究针对骨组织工程中支架力学性能与生物相容性难以兼顾的挑战，系统评价了基于立体光刻技术制备的Gyroid、Split P和Neovius三种TPMS支架。研究发现梯度结构（尤其Split P和Neovius）在60%相对密度下表现出更优的抗压强度（31.37 MPa）和比能量吸收（13.6 kJ/kg），A549细胞实验证实所有支架均支持细胞附着，其中Gyroid早期增殖最佳。该研究为定制化骨科植入物提供了几何设计新思路。

　　

随着全球老龄化加剧和交通事故频发，骨缺损修复需求日益迫切。尽管骨骼具备自我修复能力，但大段骨缺损仍需植入物干预。传统骨科植入物存在两大痛点：一是缺乏个性化设计，无法匹配患者独特的骨骼特性；二是固体结构易引发应力屏蔽现象——当植入物与骨骼弹性模量不匹配时，应力分布不均会导致骨吸收。这就像给骨骼穿上"硬盔甲"，反而让周边骨骼因缺乏力学刺激而逐渐退化。

面对这一挑战，骨组织工程领域将目光投向三周期极小曲面这种神奇结构。TPMS是数学定义的周期性曲面，能构建出立方对称、高度互联的多孔网络，与天然骨骼的微观结构惊人相似。更妙的是，通过增材制造技术可以精确控制支架的孔隙结构和梯度变化，就像用3D打印机"编织"出契合人体骨骼的生物支架。

在《Journal of Materials Research and Technology》最新发表的研究中，挪威斯塔万格大学团队开展了一项开创性工作。他们采用立体光刻技术，用生物相容性树脂制备了Gyroid、Split P和Neovius三种TPMS支架，首次系统比较了均匀结构与梯度结构在力学性能和细胞行为上的差异。特别值得一提的是，研究刻意选择尺寸稳定的生物树脂材料，将几何效应与材料生物活性解耦，为后续研究建立了可控的对比基准。

研究人员运用nTop平台设计支架模型，通过相对密度梯度法实现结构渐变。采用立体光刻3D打印技术制备样本，通过光学显微镜和扫描电镜进行微观结构表征。力学测试使用Instron试验机进行压缩实验，计算比能量吸收值。生物学评价采用A549细胞系进行细胞活力检测，通过CCK-8法和SEM观察细胞附着情况。

相对密度分析显示，所有打印支架的相对密度控制在60%左右，Split P结构表现最稳定，Gyroid在超声清洗后密度变化最大。压缩测试结果令人振奋：梯度结构普遍优于均匀结构，其中梯度Split P的抗压强度达到31.37±4.33 MPa，比其均匀版本提升近一倍。比能量吸收值同样亮眼，梯度Neovius和Split P分别达到14.2±1.75 kJ/kg和13.6±0.89 kJ/kg，展现出卓越的能量吸收能力。

微观结构分析揭示了制造精度的重要性。光学显微镜显示，低密度区域的孔隙尺寸误差较大，其中Split P的孔隙变化高达53.4%，这表明增材制造在精细结构控制上仍面临挑战。扫描电镜确认了支架表面的细胞附着，所有结构均支持A549细胞生长。

细胞实验呈现有趣的时间动态：24小时时Gyroid支架细胞活性最高，说明其连续光滑的表面利于早期附着；而到72小时，Neovius和Split P显示出持续增长趋势，可能因其复杂的孔隙网络延缓了细胞接触抑制。统计分析证实支架几何形状对细胞增殖有显著影响，方差分析F值最高达327.32，效应量η2=1.0。

这项研究的重要发现在于，梯度设计能显著提升TPMS支架的力学性能，而不同的几何形状各具优势：Gyroid利于细胞早期增殖，Split P在梯度设计下力学性能提升最显著，Neovius则在能量吸收方面表现突出。这就像为不同患者定制"骨骼拼图"——承重区域可用梯度Split P增强强度，而需要细胞快速长入的区域可采用Gyroid设计。

研究人员特别指出，由于使用非成骨性A549细胞系，所有生物学结果应解读为初步细胞相容性数据。这项"几何聚焦、材料不可知"的研究，为后续使用成骨细胞和生物活性陶瓷/金属的研究奠定了坚实基础。未来，结合患者CT数据的个性化TPMS支架，有望真正实现"量体裁衣"式的骨缺损修复，让骨科植入物不仅机械匹配，更能生物融合。

该研究的创新之处在于首次系统比较了较少研究的Split P和Neovius几何形状，揭示了梯度设计在协调力学性能与生物相容性方面的巨大潜力。就像建筑师同时考虑承重结构和采光通风，这项研究为设计下一代骨科植入物提供了多维度的设计准则，朝着个性化、功能化的骨组织工程迈出关键一步。