增材制造骨科植入物的生物力学优化与骨愈合促进策略

《Materials & Design》：Microstructural evolution and mechanical behavior of friction stir welded additively manufactured Haynes 282 Ni superalloy

本综述针对传统金属植入物因刚度不匹配导致的应力遮挡、骨愈合延迟等问题，系统探讨了通过增材制造(AM)技术结合拓扑优化、多孔结构设计等策略，开发患者特异性骨板与髓内钉的创新方法。研究总结了植入物设计优化、生物力学性能评估及临床前验证的最新进展，强调了优化植入物在促进骨痂形成、改善力学相容性方面的重要价值，为个性化骨科植入物的研发提供了重要理论依据与实践方向。

　　

下肢骨折在骨科治疗中一直面临巨大挑战，主要源于植入物与天然骨骼之间的力学性能不匹配。传统金属植入物，如不锈钢(SS)、钴铬合金(Co-Cr)和钛合金(Ti-6Al-4V)，其杨氏模量(110-230 GPa)远高于皮质骨(7-30 GPa)，导致应力遮挡效应，即植入物承担了大部分载荷，而骨骼受力减少，进而引发骨吸收、螺钉松动、甚至植入物失败等并发症。相比之下，增材制造技术为制造复杂几何形状、具有可控孔隙率和拓扑结构的植入物提供了可能，能够显著降低植入物刚度（可达40-70%），同时保持力学稳定性并促进骨痂形成。

为了系统解决上述问题，研究人员对增材制造技术在骨板和髓内钉设计、优化与应用方面的最新进展进行了全面回顾。研究重点关注如何通过结构优化策略，如多孔结构、超材料设计和拓扑优化，来改善植入物的生物力学性能，使其更接近天然骨的力学行为，从而为骨折愈合创造有利的力学环境。

本研究主要运用了文献综述与案例分析相结合的方法，系统梳理了骨科植入物的发展历程、不同金属材料的特性（如不锈钢、钴铬合金、钛合金、镁合金）、以及主要的增材制造技术，包括电子束熔化(EBM)、选择性激光熔化(SLM)和定向能量沉积(DED)。同时，研究通过计算模拟（如有限元分析FEA）和实验验证（体外力学测试、体内动物实验）来评估优化后植入物的生物力学性能，特别是其对骨界面应变(IFS)和骨愈合过程的影响。

2. 骨骨折与愈合过程

研究指出，下肢骨折占所有骨折的20.2%，其高发生率与临床重要性要求治疗策略必须有效。骨折愈合分为一期愈合（骨折间隙<1 mm，无骨痂形成）和二期愈合（骨折间隙1-6 mm，依赖骨痂形成）。理想的植入物应能为二期愈合提供适当的微动环境，即2-10%的骨界面应变(IFS)，以刺激骨痂的顺利发展。研究通过分析年龄与骨折发生率的关系，强调了维持骨骼健康、早期预防和干预的重要性。

3. 植入物的生物力学考量

传统致密金属植入物因其高刚度导致应力遮挡，限制了骨折部位的微动，从而阻碍骨痂形成。研究明确了理想的植入物应在负载下实现骨-植入物-骨痂之间的载荷共享，避免应力集中。适当的轴向IFS对于早期骨痂愈合至关重要，而过高的应变会导致纤维组织滞留，延迟愈合。因此，降低植入物的有效杨氏模量至接近长骨水平（3-20 GPa）是优化设计的关键目标。

4. 植入物用金属

研究比较了不锈钢、钴铬合金、钛合金和镁合金等常用金属材料的性能。钛合金(Ti-6Al-4V)因其较低的杨氏模量(110 GPa)和良好的生物相容性而被广泛应用，但其模量仍高于骨骼。镁合金模量(20-45 GPa)更接近骨骼，且可生物降解，但其在生理环境中的快速降解限制了其在负重部位的长期应用。因此，对非降解性金属进行结构优化以降低有效刚度仍是当前的研究重点。

5. 增材制造技术

增材制造(AM)技术，如电子束熔化(EBM)、选择性激光熔化(SLM)和定向能量沉积(DED)，能够实现患者特异性植入物的快速制造，并允许设计复杂的多孔和拓扑优化结构。这些技术通过逐层堆积材料，可以精确控制植入物的内部结构，从而调整其力学性能，促进骨整合并减少应力遮挡。研究概述了不同AM技术的原理、优缺点及其在骨科植入物制造中的应用时间线。

6. 长骨骨折植入物的发展

研究回顾了骨板和髓内钉从早期简单设计到现代复杂结构的发展历程。骨板经历了从兰氏钢板到动力加压钢板(DCP)、有限接触动力加压钢板(LC-DCP)，再到现代锁定钢板、可变角度锁定钢板以及含有多孔/优化结构的设计演变。髓内钉则从古代简单的固定物发展到现代的带锁髓内钉、可膨胀髓内钉以及采用超材料的设计。这一演变过程反映了对植入物生物力学性能理解的不断深化。

7. 结构优化策略

为降低植入物刚度，研究人员采用了多种结构优化策略，包括引入多孔结构（如晶格结构、三周期极小曲面TPMS）、超材料（如拉胀结构）和拓扑优化。这些策略通过在植入物的关键区域（如骨板的工作长度）设计特定的几何形状，有效降低了结构刚度，促进了载荷的均匀分布，并为骨折部位提供了所需的微动环境。计算模拟和实验验证表明，优化后的设计能更好地平衡强度与柔性，改善生物力学相容性。

8. 优化植入物的生物力学评价

研究通过体外实验、体内动物实验和计算模拟对优化植入物的性能进行了评估。体内研究表明，具有适当孔隙结构（如600 μm孔径）的植入物能促进骨细胞附着、增殖和骨长入。计算模拟，特别是结合力-电耦合调节算法（如Prendergast模型）的有限元分析，能够预测不同植入物设计下的组织分化和愈合过程。结果一致表明，优化后的植入物（如多孔钛板、拓扑优化板）能够改善应力分布，降低峰值应力，提供更适宜的IFS，从而促进骨愈合。

综上所述，本研究系统阐述了通过增材制造和结构优化技术开发新一代骨科植入物的策略与成果。研究表明，通过精心设计的多孔结构、拓扑优化和新型材料应用，可以显著改善植入物的生物力学性能，减少应力遮挡，促进骨愈合。计算模拟作为一种高效、低成本的工具，在植入物设计和性能预测中发挥着越来越重要的作用。尽管在疲劳寿命、长期骨整合和监管审批方面仍存在挑战，但结合人工智能(AI)的个性化设计、生物活性涂层以及标准化测试协议的未来发展，有望进一步推动优化植入物的临床转化，最终为骨折患者提供更安全、更有效的治疗选择。这项发表在《Materials 》上的综述为骨科植入物领域的科研人员和临床医生提供了宝贵的见解和明确的研究方向。