供稿人:蔡智豪 李涤尘 发布日期：2018-06-02
目前由创伤、感染或肿瘤切除引起的大段骨缺损的再生修复仍然是一个值得关注的临床问题，解决该临床需求的一个很有希望的方法是通过3D打印制造个性化支架植入物对缺损部位进行再生修复。近日，Julius Wolff研究所的科研人员提出经过机械生物优化的钛网支架可促进内源性骨缺损再生的假说[1]，该研究中使用的3D钛合金网支架在大面积节段性骨缺损修复上相比于自体骨移植具有很多优势。
通过有限元分析（图1），研究人员设计了两种不同机械性能的蜂窝状钛网支架，支架在最小化应力屏蔽的同时还确保了抗机械破坏的性能，通过改变支架直径还可以调整支架的刚度，蜂窝结构排列形成三个不同方向的通道(轴向、垂直和倾斜)引导骨再生过程。3D钛网支架通过选区激光烧结成型，在移植到活体之前，研究人员对支架进行了循环机械压缩试验，在1100N的载荷下经过16万次循环失效，从而保证了支架在移植在大动物模型之前，避免出现断裂破坏等现象。随后，研究人员在绵羊体内建立的严重骨缺损模型中测试了软支架（0.84GPa刚度）和3.5倍硬支架（2.88GPa）的性能（图2），为了验证局部支架的刚度是否能促进愈合，用普通锁定压缩板(允许4厘米缺陷的动态加载)或机械屏蔽缺陷的刚性定制板来固定缺损。研究显示，通过设计钛网支架结构进行机械优化以减少在给定的缺陷范围内的应力屏蔽，而连通孔的几何设计使移植物材料很容易地结合在一起，更低的应力屏蔽导致更早期的缺损桥接，增加软骨内骨的成型，并促进了大缺损处的骨再生。
Julius Wolff研究所的研究说明了机械生物优化的3D打印钛网支架可用于提高大型动物体的骨再生能力，相信在不久的将来，这种生物机械性能优化的3D打印钛网支架能应用于人体的大段骨缺损的修复，为千万家庭带来康复的希望。
图 1 3D钛网支架的有限元分析（A）用普通锁定压缩板和扩张的钛合金网固定（B）机械屏蔽缺陷的刚性定制板和扩张的钛合金网固定（C）2种软硬支架2种固定板组合的Von Mises应力云图（D）2种软硬支架2种固定板组合的最大应变云图
图 2 3D钛网支架植入羊体内不同时间段的CT图