引用本文： 孫亞迪, 王巖, 周麗蕓, 李奕揚, 申佳慧, 董本超, 楊培川, 李巖, 馬劍雄, 馬信龍. 不同單胞結構設計骨支架的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2023, 37(8): 1037-1041. doi: 10.7507/1002-1892.202303130 復制
股骨頭壞死（osteoarthritis of the femoral head，ONFH）是一類致殘率較高的常見疾病，據統計我國ONFH患者有750～1 000萬，每年新增患者高達約30萬，是骨科領域非常棘手的難題之一[1-2]。由于此類疾病發病機制復雜，對其認識仍有待進一步深入，目前尚未找到理想治愈方法。其治療手段通常為手術治療和非手術治療兩種[3]，其中非手術治療多采用保守治療方法，包括多樣化的藥物或物理化學療法，藥物可減輕疼痛、改善功能、延緩病程[4]，物理化學療法可改善血液循環，預防股骨頭塌陷[5]。然而，這些方法均未被高水平證據證明有效，而且大多數都存在不良反應，非手術治療療效不穩定且不能阻止股骨頭進一步塌陷[6]。ONFH的手術治療方法眾多，包括人工全髖關節置換術、髓芯減壓術、植骨填充和支撐、血管化骨移植等，部分復雜手術可能難以達到預期效果，且創傷大、恢復時間長、并發癥多[7]。因此，尋求一種既高效又安全的治療方法，已成為當前ONFH治療領域的研究熱點。
在早期ONFH多種保髖治療方法中，于塌陷骨組織部位植入骨支架以恢復髖關節功能是常用方法[8]。骨支架可以提供力學支撐，其孔隙結構可以為骨細胞提供生長空間，促進骨骼生長、骨整合，并允許與周圍組織進行充分的廢物和營養交換[9]。骨組織異質性使得相應支架結構具有不同承載和材料運輸能力，從而對組織再生過程產生深刻影響，不同骨支架結構特征對人體原生骨組織內部的力學和生物學性能起著關鍵作用[10]。單胞是構成骨支架的最小結構單元，骨支架的單胞結構可分為規則單胞結構、不規則單胞結構、基于拓撲優化理論設計的單胞結構以及基于三周期極小曲面（triply periodic minimal surface，TPMS）設計的單胞結構。本文擬從不同單胞結構設計骨支架的角度出發，深入探討和分析不同單胞結構的骨支架特點。
1 骨支架單胞結構設計
1.1 規則單胞結構
早期骨支架設計采用規則單胞（如球體、立方體、圓柱體）作為基本造孔單元，利用計算機輔助設計和布爾運算在支架內構建多孔結構。這些規則結構具有設計簡單、可預測機械性能和可控制孔隙率等優點。孫海波等[11]利用3種結構，體心立方體（body-centered cubic，BCC）、面心立方體（face-centered cubic，FCC）和垂直實體，構建了具有不同孔隙率和結構的多孔支架。他們利用有限元分析發現，具有90%孔隙率和BCC結構的支架彈性模量為7.5 GPa，抗壓強度為11.62 MPa，符合松質骨的力學要求，適用于作為松質骨植入物；孔隙率為80%的FCC結構支架彈性模量為18.9 GPa，抗壓強度為127.01 MPa，符合皮質骨力學要求，適用于作為皮質骨植入物；由于結構問題，垂直實體結構的支架不適用作為骨植入物。Moarrefzadeh等[12]用晶格立方、菱形十二面體和八面體構建了骨支架的微觀結構，有限元分析研究表明，與八面體和菱形十二面體支架相比，晶格立方支架具有最高的抗壓強度和機械性能。Xu等[13]對圓柱形和球形兩種形狀的骨支架進行比較研究，結果顯示與球形孔隙支架相比，圓柱形孔隙支架具有更高機械強度、抗扭剛度、流體滲透性和更好應力分布。Prochor等[14]用有限元方法評估了5種孔的幾何形狀（三角棱柱、立方體、八角棱柱、球體和圓角三角棱柱）和7種孔隙率（高達80%）對支架功能兩個方面（即灌注生物反應器中的細胞培養效率和植入后的成骨細胞擴散）的影響。他們發現，低孔隙率的立方體、八角棱柱和球體孔隙符合生物反應器中流體速度和壁面剪切應力的要求，而球體孔隙在孔隙率達30%時具有最高的細胞擴散效率。對于更高的孔隙率，八角棱柱的孔隙率最高可達 80%。Deng等[15]制備了4種具有類似孔隙率和孔隙大小但形狀不同的骨支架，他們將這些支架植入兔股骨遠端，并分析術后6、12周骨生長情況。結果顯示，在這4種結構中，鉆石晶格單元支架的骨質生長最好，并且該骨支架具有最小內部流體速度差和最長流體流動軌跡，有利于血管生長、營養物質運輸和骨形成。Vu等[16]制造了具有不同外部形狀的圓柱形骨支架，包括垂直脊、水平螺旋脊和圓柱形凸起。通過測試這些支架的力學性能和體外成骨細胞增殖能力發現，相比于密實的圓柱形支架，復雜的表面形狀可以提高支架30%抗壓強度和近2倍細胞增殖。實驗證明通過改變骨支架宏觀層面的表面形態，可以增加表面積來促進更好的生物反應，而不損害力學性能。
以相對簡單規則的單胞作為基本結構單元構建骨支架內部多孔結構，因孔隙單元形狀和結構局限，常與人體原生骨的多孔結構之間存在邊界融合問題，可能會對細胞生存、增殖、轉移及新陳代謝帶來一定影響，不利于骨支架植入后患者康復。
1.2 不規則單胞結構
目前大多數組織支架的設計方法是基于規則單胞結構，然而骨組織的微觀結構是非常復雜且非均質的，也具有特定的各向異性。因此，不規則設計對于骨支架設計至關重要[17]。
為了獲得滿足治療效果的支架，研究人員開展了不規則多孔結構的研究。Rodríguez-Monta?o等[18]將負載自適應算法與力學生物學算法相結合，設計了一種具有不規則單胞結構的骨支架。該研究采用3種不同加載條件和邊界來評估不規則和規則單胞結構支架之間的骨形成，結果發現不規則單胞結構支架在新骨形成量方面優于規則支架。Zhao等[19]采用參數化設計多孔支架，提出了一種基于泰森多邊形的改進方法，可通過控制種子點分布來實現不同孔隙分布，使支架孔隙的數量和大小呈梯度變化，并且與天然骨的孔隙結構相似。結果表明，在相同孔隙率下，屈服強度和彈性模量隨種子點數量增加而明顯增加。然而，對于具有相同數量種子點的結構，抗壓屈服強度和彈性模量隨孔隙率增加而下降。Fallah等[20]同樣基于泰森多邊形建立了骨支架并通過流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）模擬，研究結果表明隨著孔徑增加，進入支架的流體顯著增加，支架周圍流動減少；同時，液體通過支架的平均流速隨支架孔徑增加而增加。Li等[21]使用基于比例因子的算法設計泰森多邊形結構骨支架，計算CFD表明，孔徑800 μm支架的壁面剪切應力最高；此外，MC3T3細胞動態接種后，在孔徑800 μm支架上分布更均勻。體內實驗中將支架褶皺植入兔股骨以分析骨支架降解和成骨作用，組織學和影像學檢查示，與孔徑600、1 000、1 200 μm支架相比，孔徑800 μm支架表面和內部的新骨形成更為豐富，是骨支架的最佳選擇。
不規則單胞結構骨支架具有隨機分布和不同形狀的孔隙，使得其滲透性和應力分布方面表現更好。雖然目前對于骨支架的研究很多，但對不規則單胞結構骨支架的研究比較有限[17]。泰森多邊形結構的骨支架設計復雜，制造難度大，因此成本較高；并且內部復雜的多孔結構可控性差，表面粗糙度較大，可能會導致細胞黏附不良。
1.3 基于拓撲優化理論設計的單胞結構
拓撲優化是一種可在特殊載荷和邊界條件下，根據目標函數提供更有效材料分布的技術，其目的是減輕質量或減少植入物的不匹配機械性能引起的應力屏蔽，以及確定重新設計的帶孔植入物能否為骨細胞生長提供空間，越來越多研究正在建立新方法，通過拓撲優化技術獲得更好的植入物[22]。
Vilardell等[23]采用拓撲優化方法設計了剛度和密度接近人體骨骼的3種超低間隙鈦合金支架結構，體積密度分別為35%、40%和45%，相應的彈性模量為18.6、23.1、27.4 GPa，采用激光粉末床熔融技術制造試樣。結果表明，設計的晶格結構具有人體骨骼的剛度水平，因此可減少植入物應用中的應力屏蔽。Wu等[24]提出了一種基于時間依賴性機械生物學的拓撲優化方法用于支架設計，從而開發一個持續的有利微環境并確保骨再生。作者將實驗結果與基于剛度的拓撲優化、時間無關設計和典型支架結構的結果進行比較，在持續骨向內生長結果方面顯示出顯著優勢。Xiao等[25]將增材制造和拓撲優化相結合，設計了FCC、頂點立方體（vertex cube，VC）和邊心立方體（edge-center cube，ECC）結構，隨后通過選擇性激光熔化（selective laser melting，SLM）技術進行制作。機械性能評估結果表明，與ECC晶格結構相比，FCC和VC晶格結構具有更好的機械行為，但它們的能量吸收效率不如ECC晶格結構。通過對316L不銹鋼制成的各種SLM建造晶格結構進行比較，證明了拓撲優化晶格結構的性能優于大多數晶格結構。Xu等[26]將拓撲優化方法用于設計具有不同相對密度（0.10～0.30）的單胞結構，隨后采用Ti1Al2V合金粉末以SLM技術制備了一系列具有不同相對密度的均勻晶格結構和功能梯度晶格結構。力學性能、失效機制、能量吸收能力和性能預測結果表明，設計的晶格結構具有與天然骨骼相當的機械性能。
拓撲優化為獲得高孔隙率、高滲透率的骨支架結構提供了設計方向。拓撲優化與增材制造技術結合可以為骨科植入物和骨組織工程提供高效個性化的解決方案。但目前大多數研究中，骨支架都是以同質機械性能來簡化的，這與天然骨組織不一致，探索異質機械性能是未來研究趨勢。根據特定的孔隙率和部位，應當針對不同要求設計合適的植入物，以滿足特定功能需求[22]。
1.4 基于TPMS設計的單胞結構
由于具有良好滲透性和易于促進骨骼生長及重建的特點，TPMS結構獲得了骨支架設計研究者的關注，成為近年設計多孔骨支架的有效方法[27]。采用周期性隱式曲面作為孔隙單元，可以生成各種孔隙模型，與其他基于網格的晶格結構相比，TPMS 結構是具有較低水平應力集中的周期性幾何結構[28]。
Belda等[10]設計了8種不同體積分數的TPMS結構，考慮了6個孔隙率水平，并對其形態學進行表征，通過數值均質化得出了每種結構的剛度矩陣，并通過統計分析將其與形態學相關聯；結果表明，TPMS結構具有正交異性力學行為。通過調整體積分數，可以根據需要選擇體積分數在0.2%～70%范圍內的骨支架，從而匹配TPMS的機械特性。這一研究旨在探索TPMS結構的形態學與力學性能之間的關系，以便為患者在不同部位選擇合適的TPMS結構和幾何形狀。
Sun等[29]研究了3種TPMS結構骨支架的力學性能和變形機制，進行了準靜態單軸壓縮試驗，壓縮機械性能與TPMS結構骨支架的相對密度有近似正相關關系；此外，還進行了壓縮過程的有限元分析，以分析和理解TPMS結構骨支架的變形機制。結果表明，TPMS結構骨支架的能量吸收能力隨實際相對密度的增加而增加。Jia等[30]研究了基于TPMS結構骨支架的壓縮響應，其中包括非均勻殼厚度，通過壓縮試驗和有限元分析對比了原始結構和增強結構之間的差異。結果表明，增強結構比原始結構具有更高的相對彈性模量和極限強度。Zhang等[31]引入晶體孿晶來調節TPMS結構骨支架的應力傳遞路徑，從而實現可設計的變形行為。在3D打印后，對G型和D型TPMS結構骨支架的各個方向進行了壓縮測試。結果發現，孿晶邊界可以通過偏轉壓縮載荷下的裂紋有效保護支架結構免受破壞，并通過各種結構設計調節變形行為。Santos等[32]通過實驗分析了3D打印TPMS結構骨支架的滲透性，發現與其他多孔結構相比，TPMS結構滲透性更高。Ali等[33]利用CFD分析了支架內的流體流動，結果表明支架的滲透性由其結構決定，通道尺寸的任何變化都會降低滲透性。Zhu等[34]利用P型TPMS設計多孔支架，并根據固定載荷下的應力分布優化厚度，以調整機械和生物學性能。壓縮試驗顯示優化后支架的機械性能明顯改善。使用CFD分析在層流條件下的滲透性，結果顯示由于內表面更粗糙，優化后支架滲透性更低。這種方法可以有效調整多孔支架的機械性能和滲透性。Asbai-Ghoudan等[35]利用CFD計算了3種TPMS結構骨支架的滲透性，結果表明滲透性隨孔隙率以不同速率增加，突出了孔隙分布和結構的重要性。
TPMS骨支架在空間中呈現周期性變化且具有光滑全連通等特點，結構內部呈彎曲孔道，有利于骨細胞附著與遷移，提高細胞生存率[36]。通過曲面公式參數設置多孔支架的孔隙大小、孔隙率等參數，不僅對骨長入效果有影響，對宿主環境下的生物力學性能也有著重要影響。
2 總結
在骨支架設計領域，力學性能和生物學性能都是至關重要的因素。骨支架的力學性能直接影響其承載能力和穩定性，而生物學性能則關乎其與宿主骨組織的相容性和生物活性。目前不同類型的骨支架結構中，規則單胞結構骨支架制作簡單且易于控制，但其邊緣常呈尖銳形狀，導致無法與人體原生骨緊密結合。不規則單胞結構能夠對孔隙大小進行精確控制，但其內部結構的均勻性仍然存在挑戰。這些結構的設計需要綜合考慮骨支架的力學特性和患者具體需求。近年來，基于拓撲優化方法構建的骨支架在機械應用場景中取得了一定成功。然而，將這種方法應用于流體應用場景的拓撲優化則變得極其困難。在這方面，TPMS成為創建具有可控內部微觀結構多孔材料的最佳選擇。TPMS能夠生成具有規則幾何形態和均勻分布孔隙的骨支架結構，其內部微觀結構與天然骨組織相似，具有良好的生物相容性和生物力學性能[37]。
盡管在骨支架設計領域已取得一定研究進展，未來仍面臨許多挑戰。研究骨支架的多孔結構需要綜合考慮多種因素，不同部位對骨支架的力學性能有不同要求。其目標是實現在骨支架和宿主骨之間建立最佳生物固定界面方案，同時減輕二者之間的應力屏蔽效應。選擇支架材料時，考慮到生物相容性尤為重要，應以提高與患者病變部位的兼容性并促進骨組織生長為依據進行選擇。構建與天然骨組織相似的骨支架具有重要意義，特別是在個性化醫療背景下的骨支架設計和制作過程中。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點和報道
作者貢獻聲明 孫亞迪：論文撰寫及修改；馬劍雄、王巖、馬信龍：提出綜述撰寫方向并提出修改意見：周麗蕓、李奕揚、申佳慧、董本超、楊培川、李巖：文獻資料收集、整理
股骨頭壞死（osteoarthritis of the femoral head，ONFH）是一類致殘率較高的常見疾病，據統計我國ONFH患者有750～1 000萬，每年新增患者高達約30萬，是骨科領域非常棘手的難題之一[1-2]。由于此類疾病發病機制復雜，對其認識仍有待進一步深入，目前尚未找到理想治愈方法。其治療手段通常為手術治療和非手術治療兩種[3]，其中非手術治療多采用保守治療方法，包括多樣化的藥物或物理化學療法，藥物可減輕疼痛、改善功能、延緩病程[4]，物理化學療法可改善血液循環，預防股骨頭塌陷[5]。然而，這些方法均未被高水平證據證明有效，而且大多數都存在不良反應，非手術治療療效不穩定且不能阻止股骨頭進一步塌陷[6]。ONFH的手術治療方法眾多，包括人工全髖關節置換術、髓芯減壓術、植骨填充和支撐、血管化骨移植等，部分復雜手術可能難以達到預期效果，且創傷大、恢復時間長、并發癥多[7]。因此，尋求一種既高效又安全的治療方法，已成為當前ONFH治療領域的研究熱點。
在早期ONFH多種保髖治療方法中，于塌陷骨組織部位植入骨支架以恢復髖關節功能是常用方法[8]。骨支架可以提供力學支撐，其孔隙結構可以為骨細胞提供生長空間，促進骨骼生長、骨整合，并允許與周圍組織進行充分的廢物和營養交換[9]。骨組織異質性使得相應支架結構具有不同承載和材料運輸能力，從而對組織再生過程產生深刻影響，不同骨支架結構特征對人體原生骨組織內部的力學和生物學性能起著關鍵作用[10]。單胞是構成骨支架的最小結構單元，骨支架的單胞結構可分為規則單胞結構、不規則單胞結構、基于拓撲優化理論設計的單胞結構以及基于三周期極小曲面（triply periodic minimal surface，TPMS）設計的單胞結構。本文擬從不同單胞結構設計骨支架的角度出發，深入探討和分析不同單胞結構的骨支架特點。
1 骨支架單胞結構設計
1.1 規則單胞結構
早期骨支架設計采用規則單胞（如球體、立方體、圓柱體）作為基本造孔單元，利用計算機輔助設計和布爾運算在支架內構建多孔結構。這些規則結構具有設計簡單、可預測機械性能和可控制孔隙率等優點。孫海波等[11]利用3種結構，體心立方體（body-centered cubic，BCC）、面心立方體（face-centered cubic，FCC）和垂直實體，構建了具有不同孔隙率和結構的多孔支架。他們利用有限元分析發現，具有90%孔隙率和BCC結構的支架彈性模量為7.5 GPa，抗壓強度為11.62 MPa，符合松質骨的力學要求，適用于作為松質骨植入物；孔隙率為80%的FCC結構支架彈性模量為18.9 GPa，抗壓強度為127.01 MPa，符合皮質骨力學要求，適用于作為皮質骨植入物；由于結構問題，垂直實體結構的支架不適用作為骨植入物。Moarrefzadeh等[12]用晶格立方、菱形十二面體和八面體構建了骨支架的微觀結構，有限元分析研究表明，與八面體和菱形十二面體支架相比，晶格立方支架具有最高的抗壓強度和機械性能。Xu等[13]對圓柱形和球形兩種形狀的骨支架進行比較研究，結果顯示與球形孔隙支架相比，圓柱形孔隙支架具有更高機械強度、抗扭剛度、流體滲透性和更好應力分布。Prochor等[14]用有限元方法評估了5種孔的幾何形狀（三角棱柱、立方體、八角棱柱、球體和圓角三角棱柱）和7種孔隙率（高達80%）對支架功能兩個方面（即灌注生物反應器中的細胞培養效率和植入后的成骨細胞擴散）的影響。他們發現，低孔隙率的立方體、八角棱柱和球體孔隙符合生物反應器中流體速度和壁面剪切應力的要求，而球體孔隙在孔隙率達30%時具有最高的細胞擴散效率。對于更高的孔隙率，八角棱柱的孔隙率最高可達 80%。Deng等[15]制備了4種具有類似孔隙率和孔隙大小但形狀不同的骨支架，他們將這些支架植入兔股骨遠端，并分析術后6、12周骨生長情況。結果顯示，在這4種結構中，鉆石晶格單元支架的骨質生長最好，并且該骨支架具有最小內部流體速度差和最長流體流動軌跡，有利于血管生長、營養物質運輸和骨形成。Vu等[16]制造了具有不同外部形狀的圓柱形骨支架，包括垂直脊、水平螺旋脊和圓柱形凸起。通過測試這些支架的力學性能和體外成骨細胞增殖能力發現，相比于密實的圓柱形支架，復雜的表面形狀可以提高支架30%抗壓強度和近2倍細胞增殖。實驗證明通過改變骨支架宏觀層面的表面形態，可以增加表面積來促進更好的生物反應，而不損害力學性能。
以相對簡單規則的單胞作為基本結構單元構建骨支架內部多孔結構，因孔隙單元形狀和結構局限，常與人體原生骨的多孔結構之間存在邊界融合問題，可能會對細胞生存、增殖、轉移及新陳代謝帶來一定影響，不利于骨支架植入后患者康復。
1.2 不規則單胞結構
目前大多數組織支架的設計方法是基于規則單胞結構，然而骨組織的微觀結構是非常復雜且非均質的，也具有特定的各向異性。因此，不規則設計對于骨支架設計至關重要[17]。
為了獲得滿足治療效果的支架，研究人員開展了不規則多孔結構的研究。Rodríguez-Monta?o等[18]將負載自適應算法與力學生物學算法相結合，設計了一種具有不規則單胞結構的骨支架。該研究采用3種不同加載條件和邊界來評估不規則和規則單胞結構支架之間的骨形成，結果發現不規則單胞結構支架在新骨形成量方面優于規則支架。Zhao等[19]采用參數化設計多孔支架，提出了一種基于泰森多邊形的改進方法，可通過控制種子點分布來實現不同孔隙分布，使支架孔隙的數量和大小呈梯度變化，并且與天然骨的孔隙結構相似。結果表明，在相同孔隙率下，屈服強度和彈性模量隨種子點數量增加而明顯增加。然而，對于具有相同數量種子點的結構，抗壓屈服強度和彈性模量隨孔隙率增加而下降。Fallah等[20]同樣基于泰森多邊形建立了骨支架并通過流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）模擬，研究結果表明隨著孔徑增加，進入支架的流體顯著增加，支架周圍流動減少；同時，液體通過支架的平均流速隨支架孔徑增加而增加。Li等[21]使用基于比例因子的算法設計泰森多邊形結構骨支架，計算CFD表明，孔徑800 μm支架的壁面剪切應力最高；此外，MC3T3細胞動態接種后，在孔徑800 μm支架上分布更均勻。體內實驗中將支架褶皺植入兔股骨以分析骨支架降解和成骨作用，組織學和影像學檢查示，與孔徑600、1 000、1 200 μm支架相比，孔徑800 μm支架表面和內部的新骨形成更為豐富，是骨支架的最佳選擇。
不規則單胞結構骨支架具有隨機分布和不同形狀的孔隙，使得其滲透性和應力分布方面表現更好。雖然目前對于骨支架的研究很多，但對不規則單胞結構骨支架的研究比較有限[17]。泰森多邊形結構的骨支架設計復雜，制造難度大，因此成本較高；并且內部復雜的多孔結構可控性差，表面粗糙度較大，可能會導致細胞黏附不良。
1.3 基于拓撲優化理論設計的單胞結構
拓撲優化是一種可在特殊載荷和邊界條件下，根據目標函數提供更有效材料分布的技術，其目的是減輕質量或減少植入物的不匹配機械性能引起的應力屏蔽，以及確定重新設計的帶孔植入物能否為骨細胞生長提供空間，越來越多研究正在建立新方法，通過拓撲優化技術獲得更好的植入物[22]。
Vilardell等[23]采用拓撲優化方法設計了剛度和密度接近人體骨骼的3種超低間隙鈦合金支架結構，體積密度分別為35%、40%和45%，相應的彈性模量為18.6、23.1、27.4 GPa，采用激光粉末床熔融技術制造試樣。結果表明，設計的晶格結構具有人體骨骼的剛度水平，因此可減少植入物應用中的應力屏蔽。Wu等[24]提出了一種基于時間依賴性機械生物學的拓撲優化方法用于支架設計，從而開發一個持續的有利微環境并確保骨再生。作者將實驗結果與基于剛度的拓撲優化、時間無關設計和典型支架結構的結果進行比較，在持續骨向內生長結果方面顯示出顯著優勢。Xiao等[25]將增材制造和拓撲優化相結合，設計了FCC、頂點立方體（vertex cube，VC）和邊心立方體（edge-center cube，ECC）結構，隨后通過選擇性激光熔化（selective laser melting，SLM）技術進行制作。機械性能評估結果表明，與ECC晶格結構相比，FCC和VC晶格結構具有更好的機械行為，但它們的能量吸收效率不如ECC晶格結構。通過對316L不銹鋼制成的各種SLM建造晶格結構進行比較，證明了拓撲優化晶格結構的性能優于大多數晶格結構。Xu等[26]將拓撲優化方法用于設計具有不同相對密度（0.10～0.30）的單胞結構，隨后采用Ti1Al2V合金粉末以SLM技術制備了一系列具有不同相對密度的均勻晶格結構和功能梯度晶格結構。力學性能、失效機制、能量吸收能力和性能預測結果表明，設計的晶格結構具有與天然骨骼相當的機械性能。
拓撲優化為獲得高孔隙率、高滲透率的骨支架結構提供了設計方向。拓撲優化與增材制造技術結合可以為骨科植入物和骨組織工程提供高效個性化的解決方案。但目前大多數研究中，骨支架都是以同質機械性能來簡化的，這與天然骨組織不一致，探索異質機械性能是未來研究趨勢。根據特定的孔隙率和部位，應當針對不同要求設計合適的植入物，以滿足特定功能需求[22]。
1.4 基于TPMS設計的單胞結構
由于具有良好滲透性和易于促進骨骼生長及重建的特點，TPMS結構獲得了骨支架設計研究者的關注，成為近年設計多孔骨支架的有效方法[27]。采用周期性隱式曲面作為孔隙單元，可以生成各種孔隙模型，與其他基于網格的晶格結構相比，TPMS 結構是具有較低水平應力集中的周期性幾何結構[28]。
Belda等[10]設計了8種不同體積分數的TPMS結構，考慮了6個孔隙率水平，并對其形態學進行表征，通過數值均質化得出了每種結構的剛度矩陣，并通過統計分析將其與形態學相關聯；結果表明，TPMS結構具有正交異性力學行為。通過調整體積分數，可以根據需要選擇體積分數在0.2%～70%范圍內的骨支架，從而匹配TPMS的機械特性。這一研究旨在探索TPMS結構的形態學與力學性能之間的關系，以便為患者在不同部位選擇合適的TPMS結構和幾何形狀。
Sun等[29]研究了3種TPMS結構骨支架的力學性能和變形機制，進行了準靜態單軸壓縮試驗，壓縮機械性能與TPMS結構骨支架的相對密度有近似正相關關系；此外，還進行了壓縮過程的有限元分析，以分析和理解TPMS結構骨支架的變形機制。結果表明，TPMS結構骨支架的能量吸收能力隨實際相對密度的增加而增加。Jia等[30]研究了基于TPMS結構骨支架的壓縮響應，其中包括非均勻殼厚度，通過壓縮試驗和有限元分析對比了原始結構和增強結構之間的差異。結果表明，增強結構比原始結構具有更高的相對彈性模量和極限強度。Zhang等[31]引入晶體孿晶來調節TPMS結構骨支架的應力傳遞路徑，從而實現可設計的變形行為。在3D打印后，對G型和D型TPMS結構骨支架的各個方向進行了壓縮測試。結果發現，孿晶邊界可以通過偏轉壓縮載荷下的裂紋有效保護支架結構免受破壞，并通過各種結構設計調節變形行為。Santos等[32]通過實驗分析了3D打印TPMS結構骨支架的滲透性，發現與其他多孔結構相比，TPMS結構滲透性更高。Ali等[33]利用CFD分析了支架內的流體流動，結果表明支架的滲透性由其結構決定，通道尺寸的任何變化都會降低滲透性。Zhu等[34]利用P型TPMS設計多孔支架，并根據固定載荷下的應力分布優化厚度，以調整機械和生物學性能。壓縮試驗顯示優化后支架的機械性能明顯改善。使用CFD分析在層流條件下的滲透性，結果顯示由于內表面更粗糙，優化后支架滲透性更低。這種方法可以有效調整多孔支架的機械性能和滲透性。Asbai-Ghoudan等[35]利用CFD計算了3種TPMS結構骨支架的滲透性，結果表明滲透性隨孔隙率以不同速率增加，突出了孔隙分布和結構的重要性。
TPMS骨支架在空間中呈現周期性變化且具有光滑全連通等特點，結構內部呈彎曲孔道，有利于骨細胞附著與遷移，提高細胞生存率[36]。通過曲面公式參數設置多孔支架的孔隙大小、孔隙率等參數，不僅對骨長入效果有影響，對宿主環境下的生物力學性能也有著重要影響。
2 總結
在骨支架設計領域，力學性能和生物學性能都是至關重要的因素。骨支架的力學性能直接影響其承載能力和穩定性，而生物學性能則關乎其與宿主骨組織的相容性和生物活性。目前不同類型的骨支架結構中，規則單胞結構骨支架制作簡單且易于控制，但其邊緣常呈尖銳形狀，導致無法與人體原生骨緊密結合。不規則單胞結構能夠對孔隙大小進行精確控制，但其內部結構的均勻性仍然存在挑戰。這些結構的設計需要綜合考慮骨支架的力學特性和患者具體需求。近年來，基于拓撲優化方法構建的骨支架在機械應用場景中取得了一定成功。然而，將這種方法應用于流體應用場景的拓撲優化則變得極其困難。在這方面，TPMS成為創建具有可控內部微觀結構多孔材料的最佳選擇。TPMS能夠生成具有規則幾何形態和均勻分布孔隙的骨支架結構，其內部微觀結構與天然骨組織相似，具有良好的生物相容性和生物力學性能[37]。
盡管在骨支架設計領域已取得一定研究進展，未來仍面臨許多挑戰。研究骨支架的多孔結構需要綜合考慮多種因素，不同部位對骨支架的力學性能有不同要求。其目標是實現在骨支架和宿主骨之間建立最佳生物固定界面方案，同時減輕二者之間的應力屏蔽效應。選擇支架材料時，考慮到生物相容性尤為重要，應以提高與患者病變部位的兼容性并促進骨組織生長為依據進行選擇。構建與天然骨組織相似的骨支架具有重要意義，特別是在個性化醫療背景下的骨支架設計和制作過程中。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點和報道
作者貢獻聲明 孫亞迪：論文撰寫及修改；馬劍雄、王巖、馬信龍：提出綜述撰寫方向并提出修改意見：周麗蕓、李奕揚、申佳慧、董本超、楊培川、李巖：文獻資料收集、整理