重庆大学唐倩教授团队：典型TPMS结构多孔骨支架增材制造

骨骼对人体至关重要，起着支撑人体、支持运动等重要功能，而意外事故、运动损伤、手术治疗等原因将会导致骨缺损。常见的治疗方式是在骨缺损处植入骨支架，但传统实心金属骨支架有着重量大、力学强度过高等缺点，易导致骨质疏松、甚至严重影响术后恢复效果。

增材制造制备的金属多孔骨支架有着轻量化、力学强度可调、允许新生骨细胞向内长入、可根据患者情况个性化设计等特点，受到了研究人员的广泛关注。其中，骨支架的多孔结构类型选择对骨修复效果尤为重要。

©3D科学谷白皮书

三重周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface，TPMS）结构由于形态由隐函数严格控制、表面积大允许细胞生长、平均曲率为零（与人骨相似），被认为是多孔骨支架的理想填充结构，有望提升术后骨修复效果。但TPMS结构根据在空间内的实体化方式不同，同一隐函数方程可建立杆状、面状两种类型的结构，其力学特性、破坏形式、骨修复效果等均存在差异。

为了深入研究杆状、面状结构的差异，重庆大学唐倩教授团队以典型的TPMS结构之一，Schwarz-P结构为例，用钛合金（Ti6Al4V）分别制备并研究了杆状、面状Schwarz-P多孔骨支架在上述方面的差异。其研究结果加深了对TPMS结构的理解，可为不同受损情况下的多孔骨支架设计提供选型指导。本期谷.专栏将分享该研究的试验方案、结果、结论以及应用前景。

论文亮点

① 对比了两种形式结构在力学行为上的差异；

② 分析了杆、面状结构的失效形式及断裂方式；

③ 揭示了两种形式结构在体内骨修复中对细胞分化影响的差异。

试验方法

该研究采用选择性激光熔化技术制备了孔隙率从60%至85%的钛合金Schwarz-P杆状及面状骨支架。随后对骨支架的成形尺寸、孔隙率、致密度和表面形貌等进行了研究；通过压缩试验分析骨支架的弹性模量、屈服强度、第一峰值应力、能量吸收量、破坏形式等；最后在贵州小香猪的股骨和胫骨制备6-7mm深的骨缺损，将骨支架植入缺损处并体内培养一个月，随后通过Masson染色、天狼星红染色观察骨支架-组织切片，分析骨修复效果。

图1 杆状（上）及面状（下）Schwarz-P结构设计方式

图2 多孔骨支架体内植入过程（由陆军军医大学西南医院王富友教授团队完成）

结果

在制造质量方面，两种形式的结构的成形后孔隙率均低于设计值，但面状结构的误差波动更小。同孔隙率的条件下，面状结构具备更高的弹性模量、屈服强度、能量吸收量。杆状结构失效形式为逐层断裂破坏，面状结构为沿45°剪切带破坏。动物体内实验表明，面状结构促进软骨组织的生长，而杆状结构利于骨组织的长入，此外，具备高孔隙率的骨支架和靠近宿主骨骨组织的部位更利于骨修复。

图3 杆状（上）和面状（下）Schwarz-P骨支架压缩破坏过程

结论

该研究通过建立和制备Schwarz-P结构的面状和杆状形式结构，系统的分析了它们在制造、力学、破坏、和骨修复效果上的差异，加深了对TPMS结构的理解，为不同骨缺损情况的多孔结构选择提供了参考。

前景与应用

在对杆状和面状结构各项性能差异的研究基础上，未来将进一步研究结合杆、面状结构优势的新型融合多孔结构设计，并在其力学性能、物质传输等性能上展开研究，以期进一步设计出兼顾力学与生物相容性的新型多孔结构，研究成果可用于临床的骨缺损修复。

原文信息：

Shuai Ma, Qian Tang, Changbao Zhu, Fuyou Wang, Qixiang Feng, Jun Song, Rossitza Setchi, Chenglong Ma, Ran Tao. Laser Powder Bed Fusion-built Ti6Al4V Bone Scaffolds Composed of Sheet and Strut-based Porous Structures: Morphology, Mechanical Properties, and Biocompatibility. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, 1(4): 100055.

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100051.

研究团队

唐倩

团队带头人

团队研究方向：增材制造结构设计及工艺优化、智能制造。

工学博士，博导，现任重庆大学机械与运载工程学院教授；多伦多大学访问学者；重庆市高等学校巴渝学者特聘教授；重庆市百名工程技术高端人才培养计划先进制造领域培养入选者；重庆市增材制造产业协会医学3D打印分会委员；长期从事金属增材制造、智能制造技术与装备、工业大数据等方面的研究。作为项目负责人和主研人，主持和参与了国家重点研发计划项目、科技部国家科技支撑计划项目、工信部智能制造专项、国家自然科学基金面上/重点项目、科技部国际科技合作计划项目、重庆市科技计划重大重点项目20余项，同时累计承担横向课题40余项；相关研究成果以第一作者、通讯作者身份合计发表论文60多篇，其中SCI/EI收录40余篇；作为第一专利权人的已授权国家专利22余项，其中发明专利18项；研究成果获省部级科技进步奖4项，省部级教学成果一等奖一项。

马帅

本文第一作者

重庆大学与英国Cardiff University联合培养工学博士，重庆大学校优秀毕业生，现任重庆理工大学机械工程学院讲师，陆军军医大学西南医院博士后。从事增材制造的多孔结构力学行为、物质传输性能、生物相容性，及其在骨植入物方面应用等研究。发表SCI/EI论文16篇，其中一作论文6篇，Google Scholar 累计引用300余次，作为主研人参与国家自然科学基金面上项目、青年基金等多项国家项目。相关研究成果分别在13th ICFDM和41st ASME-CIE会议上获得优秀会议论文奖、Graduate Research Poster Award。

3D科学谷

谷.专栏

投稿邮箱：2509957133@qq.com

欢迎投稿

知之既深 l 行之则远

>微课

本文来源：

知之既深 行之则远

三维世界｜全球视角

白皮书下载 l 请申请3D科学谷QQ群：106477771

投稿或合作请加微信 l daisylinzhu

或将稿件发送至 l 2509957133@qq.com

更多关注请登陆www.3dsciencevalley.com