股骨頭壞死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是骨科常見病、難治病，隨著病情進展可能會發生股骨頭塌陷，致殘率高[1]。近年研究發現在塌陷骨組織部位植入骨支架，能為股骨頭提供良好力學支撐，同時骨支架孔隙可為骨細胞提供生長空間，促進骨生長、整合，并允許與周圍組織進行充分廢物和營養交換，并在兔ONFH 模型中獲得較好效果，有望成為臨床治療ONFH的新方法[2-4]。而骨支架的機械強度及其長期穩定性是治療ONFH的關鍵[5]。因此如何增強骨支架力學強度，以為受損部位提供穩固支撐并促進適當血液灌注，成為骨支架設計備受關注的焦點。
近年，增材制造技術和計算機輔助設計技術發展成熟，制造復雜的多孔支架成為可能，學者們也不斷探索各種設計方法以模仿天然骨結構[6]。晶胞是支架基本結構，設計類型可分為非參數化和參數化兩種。其中，非參數化設計是采用簡單結構作為最基本造孔單元，利用計算機輔助設計和布爾運算在骨支架內構建多孔結構[7]。這些規則結構具有設計簡單、機械性能可預測和孔隙率可控等優點，但構建的骨支架內部結構簡單且邊緣太尖銳，不能與人原生骨緊密結合。參數化設計是利用參數化建模軟件，通過設定骨支架關鍵參數，實現自動化設計。在該類型設計中，通常由三周期極小曲面（triply-periodic minimal surface，TPMS）或泰森多邊形構成骨支架，其中TPMS是最常用設計。TPMS結構可以用精確的數學函數表達，構成的骨支架基本性能可以通過調整功能參數直接控制，具有可控內部微觀結構，包括孔徑、形狀和孔隙率等[8-10]。適宜的微觀結構是實現骨支架理想力學和生物學特性的基礎[11]。現對TPMS骨支架微觀結構相關研究進行總結，分析微觀結構對該類型骨支架性能的影響。
1 TPMS類型
TPMS是一個具有零平均曲率的周期性隱式曲面[12]，使用隱式方程表示，因此設計靈活性高[13]。根據形態學分型，TPMS通常可以分為桿狀和片狀兩種。前者是具有單個空隙域的實體結構，后者則是具有兩個分隔區域的不相連空隙結構。Al-Ketan等[14]對桿狀和片狀TPMS進行了準靜態壓縮測試，并通過相應的壓縮應力-應變反應分析其機械性能。結果顯示片狀TPMS在應力和應變響應方面優于桿狀TPMS，顯示出良好的機械性能。同樣Belda等[15]的研究也顯示片狀 TPMS彈性高于實體結構（類似于基于支柱的幾何形狀）。
人體骨組織的皮質骨和松質骨之間是具有特殊梯度變化的層次結構[16]。為了實現與植入部位骨組織的良好匹配，學者們又引入了功能梯度TPMS和異構TPMS的設計策略。功能梯度TPMS可通過調整孔徑、體積、密度等參數，制造與宿主骨匹配的骨支架，結合仿生設計來模仿骨結構，從而使支架能夠適應植入部位的骨形態學變化[17]。異構TPMS可簡單概括為由單一類型晶格組成的梯度結構和由多種類型晶格組成的梯度結構[18]。通過調整異構TPMS的內部微觀結構方向和類型，可以拓展設計空間，更好地模擬人體組織結構，改變結構參數還能平衡生物和機械性能，提供更多定制化設計的可能性[19]。Zhang等[19]的研究構建了由桿狀和片材TPMS構建的異構骨支架，在吸收效率和機械穩定性、能量吸收、應變濃度降低、變形和失效行為調節方面表現出顯著優越性。
2 TPMS微觀結構對骨支架性能的影響
2.1 孔隙形狀
不同的孔隙形狀對骨支架機械和生物特性影響不同[6]。TPMS是通過立方體平移晶胞的周期性重復來構建具有規則孔隙幾何形狀的多孔支架[20]，常見的TPMS有P曲面、G曲面、D曲面等[21]。 P曲面由于其孔隙形狀而具有最大孔徑、最高結構穩定性以及允許細胞良好增殖的特點[22]。Kladovasilakis等[23]通過準靜態壓縮測試研究了G曲面、D曲面和P曲面機械性能，發現D曲面具有最高的剛度和屈服強度，G曲面也表現出類似的機械性能，而P曲面的剛度和強度最低。Yánez等[24-25]通過壓縮試驗、扭轉試驗和有限元分析，研究了正常以及不同角度變形（19°、21.5°、26°、35°、55°、64°和68.5°）的G曲面支架力學性能，發現G曲面支架的彈性模量和抗壓強度與軸向支柱角度成反比。正常G曲面支架孔隙呈球形，因此其力學性能均勻性優于變形G曲面支架。為將G曲面支架用于人骨組織修復，還需要對其進一步優化，使支架能支持不同方向、不同類型的載荷[25]。
2.2 孔隙率
骨支架力學承載能力與孔隙率密切相關[6]。Henkel等[26]發現TPMS骨支架機械強度隨著孔隙率增加而下降，壓縮強度均在松質骨正常范圍內或略高（2~12 MPa），彈性模量接近于皮質骨（7~30 GPa），表明該骨支架能滿足松質骨修復的力學性能要求。Ma等[27]的研究發現當孔隙率為88.8%時，TPMS骨支架中細胞數量最多，但機械性能下降，很難保持最佳機械強度，表明支架高孔隙率意味著內部固體組分減少、機械性能降低。因此，在設計骨支架時需要在機械強度和孔隙率以及孔徑之間進行平衡。Belda等[15]設計了8種TPMS結構，包括6個孔隙率水平，形態學表征結果表明TPMS結構具有正交異性力學行為，且隨著孔隙率增加，正交各向異性機械特性呈指數下降趨勢。
孔隙率除了影響骨支架的力學性能之外，還會影響滲透性。Asbai-Ghoudan等[28]利用計算流體力學觀察了3種TPMS骨支架滲透率，結果表明滲透率隨孔隙率增加而明顯提高，進一步說明了孔隙率對骨支架滲透性的重要性。Santos等[29] 研究發現最大滲透率會隨著TPMS結構類型的變化而改變。Pires等[30]研究發現孔隙率增加10%，骨支架滲透性從5.1×10-9 mm2增加到11.7×10-9 mm2。
2.3 孔徑尺寸
骨支架孔隙較大時，代謝廢物和營養物質可以在內部更好地流動；孔隙較小時，可以為細胞附著和增殖提供足夠的表面積以及更好的機械性能[31]。李祥等[32]的研究構建了孔隙率為77%以及孔徑分別為300、500 μm 的 G曲面TPMS單元均質模型及徑向梯度多孔模型，并對其生物力學性能進行檢測。結果表明梯度多孔模型的彈性模量和最大抗壓強度明顯優于均質模型；而在均質模型中，孔徑為 500 μm 的試樣力學性能明顯優于孔徑為 300 μm 的試樣。Ali等[33]利用計算流體力學分析研究了骨支架內的流體流動，結果表明支架的滲透性由其結構決定，孔徑尺寸的任何變化都會降低滲透率。Fu等[34]也通過計算流體動力學分析支架中的流體流動，模擬評估TPMS骨支架滲透率和流體剪切應力。結果顯示增大孔徑會提高支架滲透能力并降低流體剪切應力，提示可以通過調控孔徑尺寸來實現對骨支架性能的控制，應避免直接的細胞?流體接觸以優化細胞分化。目前，多孔骨支架孔徑最優尺寸是研究熱點，Hayashi等[35]認為骨再生的最佳孔徑尺寸為100~350 μm。
2.4 曲率
骨支架微觀結構表面曲率對骨組織再生具有重要影響，Yang等[36]用線性滑移變換和旋轉滑移變換方法對TPMS骨支架進行了扭曲，以調整其曲率分布和楊氏模量。上述兩種方法可以生成對稱或不對稱的曲率分布，使原始TPMS骨支架的晶格曲率分布譜在很大程度上被拓寬，并且可以連續調整楊氏模量并在體積分數為 0.3的情況下，楊氏模量下降幅度可達 90%。上述研究結果顯示構建的骨支架與小梁骨相匹配。每個TPMS骨支架構都具有特定的和周期性的表面曲率分布，可以根據目標組織進行調整。Blanquer等[37]提出可以通過改變單元格數量或支架立方體邊長調節表面曲率，從而調節特定TPMS骨支架的孔隙特征。
2.5 比表面積
骨支架比表面積越大，骨支架吸附能力越強，可為細胞接觸提供更大面積，促進后期細胞貼壁、遷移和增殖[38]。Zhang等[39]定義距離函數來控制TPMS結構，通過權重融合方法執行不同結構TPMS孔單元的轉換，實現了對比表面積的控制，為TPMS骨支架的設計和調節提供了可行方法。秦嘉偉等[40]的研究顯示片狀TPMS比表面積明顯大于桿狀TPMS，在力學性能方面也明顯更具優勢。其中D曲面片狀 TPMS 骨支架優勢最佳，比表面積為 13. 00 mm-1時，骨支架的彈性模量、屈服強度和抗壓強度分別為（5.65±0.08）GPa、（181.03±1.30）MPa 和（239.83±0.45）MPa，比桿狀多孔鈦骨支架分別提高43.87%、55.08%和67.21%。
2.6 扭曲度
扭曲度是指骨支架在受到扭矩作用時發生的扭曲程度。骨支架主要用于支撐和穩定骨骼，扭曲度會對骨支架該作用產生影響。Jin等[41]設計基于4種不同扭曲度的TPMS骨支架，隨后進行了加成制造和表征。研究結果顯示，隨著扭曲度增大，支架的彈性模量和抗壓強度均呈現下降趨勢，滲透率逐漸降低。這些發現有助于評估該支架作為仿生骨材料的可行性。
3 總結與展望
TPMS骨支架的特性主要彰顯于其機械特性和生物特性等方面。在微觀結構層面，通過精確調控孔隙形態、尺寸、孔隙率、曲率、比表面積、扭曲度等諸多參數，以達到與特定植入骨組織位置相協調的目標。研究表明P曲面因其孔隙形狀具有最大孔徑、高結構穩定性以及良好的細胞增殖性，而D曲面在機械性能方面表現出最高的剛度和屈服強度。孔隙率也對骨支架機械性能有重要影響，高孔隙率可能導致機械性能下降。此外，孔隙率增加會提高骨支架滲透性。孔徑尺寸對骨支架的性能同樣至關重要，孔徑較大可以促進流體流動，較小則有利于細胞附著和增殖。曲率也會影響骨支架性能，進而對骨組織再生有重要影響。扭曲度增加可能導致骨支架彈性模量和抗壓強度降低。最后，骨支架的比表面積對細胞附著和增殖具有重要意義，高比表面積有助于細胞生長。整體而言，TPMS骨支架在醫學領域有著廣闊應用前景，但在設計過程中需要平衡不同因素以獲得最佳性能。
TPMS骨支架是一種新興、具有巨大潛力的骨支架設計方法，可以實現對骨骼不同區域的個性化和定制化治療，但尚需開展更深入、更全面研究，以探討并建立更為科學有效的TPMS骨支架選擇標準，從而為其在骨科臨床實踐中的應用提供更可靠的支持和指導。未來的研究應聚焦于多學科協作、生物功能化、臨床研究和新技術應用，以實現更好的治療效果。
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：綜述構思、設計以及文章撰寫、修改；馬劍雄、王巖、馬信龍：提出綜述撰寫方向及修改意見；周麗蕓、李奕揚、申佳慧、董本超、楊培川、李巖：文獻資料收集
股骨頭壞死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是骨科常見病、難治病，隨著病情進展可能會發生股骨頭塌陷，致殘率高[1]。近年研究發現在塌陷骨組織部位植入骨支架，能為股骨頭提供良好力學支撐，同時骨支架孔隙可為骨細胞提供生長空間，促進骨生長、整合，并允許與周圍組織進行充分廢物和營養交換，并在兔ONFH 模型中獲得較好效果，有望成為臨床治療ONFH的新方法[2-4]。而骨支架的機械強度及其長期穩定性是治療ONFH的關鍵[5]。因此如何增強骨支架力學強度，以為受損部位提供穩固支撐并促進適當血液灌注，成為骨支架設計備受關注的焦點。
近年，增材制造技術和計算機輔助設計技術發展成熟，制造復雜的多孔支架成為可能，學者們也不斷探索各種設計方法以模仿天然骨結構[6]。晶胞是支架基本結構，設計類型可分為非參數化和參數化兩種。其中，非參數化設計是采用簡單結構作為最基本造孔單元，利用計算機輔助設計和布爾運算在骨支架內構建多孔結構[7]。這些規則結構具有設計簡單、機械性能可預測和孔隙率可控等優點，但構建的骨支架內部結構簡單且邊緣太尖銳，不能與人原生骨緊密結合。參數化設計是利用參數化建模軟件，通過設定骨支架關鍵參數，實現自動化設計。在該類型設計中，通常由三周期極小曲面（triply-periodic minimal surface，TPMS）或泰森多邊形構成骨支架，其中TPMS是最常用設計。TPMS結構可以用精確的數學函數表達，構成的骨支架基本性能可以通過調整功能參數直接控制，具有可控內部微觀結構，包括孔徑、形狀和孔隙率等[8-10]。適宜的微觀結構是實現骨支架理想力學和生物學特性的基礎[11]。現對TPMS骨支架微觀結構相關研究進行總結，分析微觀結構對該類型骨支架性能的影響。
1 TPMS類型
TPMS是一個具有零平均曲率的周期性隱式曲面[12]，使用隱式方程表示，因此設計靈活性高[13]。根據形態學分型，TPMS通常可以分為桿狀和片狀兩種。前者是具有單個空隙域的實體結構，后者則是具有兩個分隔區域的不相連空隙結構。Al-Ketan等[14]對桿狀和片狀TPMS進行了準靜態壓縮測試，并通過相應的壓縮應力-應變反應分析其機械性能。結果顯示片狀TPMS在應力和應變響應方面優于桿狀TPMS，顯示出良好的機械性能。同樣Belda等[15]的研究也顯示片狀 TPMS彈性高于實體結構（類似于基于支柱的幾何形狀）。
人體骨組織的皮質骨和松質骨之間是具有特殊梯度變化的層次結構[16]。為了實現與植入部位骨組織的良好匹配，學者們又引入了功能梯度TPMS和異構TPMS的設計策略。功能梯度TPMS可通過調整孔徑、體積、密度等參數，制造與宿主骨匹配的骨支架，結合仿生設計來模仿骨結構，從而使支架能夠適應植入部位的骨形態學變化[17]。異構TPMS可簡單概括為由單一類型晶格組成的梯度結構和由多種類型晶格組成的梯度結構[18]。通過調整異構TPMS的內部微觀結構方向和類型，可以拓展設計空間，更好地模擬人體組織結構，改變結構參數還能平衡生物和機械性能，提供更多定制化設計的可能性[19]。Zhang等[19]的研究構建了由桿狀和片材TPMS構建的異構骨支架，在吸收效率和機械穩定性、能量吸收、應變濃度降低、變形和失效行為調節方面表現出顯著優越性。
2 TPMS微觀結構對骨支架性能的影響
2.1 孔隙形狀
不同的孔隙形狀對骨支架機械和生物特性影響不同[6]。TPMS是通過立方體平移晶胞的周期性重復來構建具有規則孔隙幾何形狀的多孔支架[20]，常見的TPMS有P曲面、G曲面、D曲面等[21]。 P曲面由于其孔隙形狀而具有最大孔徑、最高結構穩定性以及允許細胞良好增殖的特點[22]。Kladovasilakis等[23]通過準靜態壓縮測試研究了G曲面、D曲面和P曲面機械性能，發現D曲面具有最高的剛度和屈服強度，G曲面也表現出類似的機械性能，而P曲面的剛度和強度最低。Yánez等[24-25]通過壓縮試驗、扭轉試驗和有限元分析，研究了正常以及不同角度變形（19°、21.5°、26°、35°、55°、64°和68.5°）的G曲面支架力學性能，發現G曲面支架的彈性模量和抗壓強度與軸向支柱角度成反比。正常G曲面支架孔隙呈球形，因此其力學性能均勻性優于變形G曲面支架。為將G曲面支架用于人骨組織修復，還需要對其進一步優化，使支架能支持不同方向、不同類型的載荷[25]。
2.2 孔隙率
骨支架力學承載能力與孔隙率密切相關[6]。Henkel等[26]發現TPMS骨支架機械強度隨著孔隙率增加而下降，壓縮強度均在松質骨正常范圍內或略高（2~12 MPa），彈性模量接近于皮質骨（7~30 GPa），表明該骨支架能滿足松質骨修復的力學性能要求。Ma等[27]的研究發現當孔隙率為88.8%時，TPMS骨支架中細胞數量最多，但機械性能下降，很難保持最佳機械強度，表明支架高孔隙率意味著內部固體組分減少、機械性能降低。因此，在設計骨支架時需要在機械強度和孔隙率以及孔徑之間進行平衡。Belda等[15]設計了8種TPMS結構，包括6個孔隙率水平，形態學表征結果表明TPMS結構具有正交異性力學行為，且隨著孔隙率增加，正交各向異性機械特性呈指數下降趨勢。
孔隙率除了影響骨支架的力學性能之外，還會影響滲透性。Asbai-Ghoudan等[28]利用計算流體力學觀察了3種TPMS骨支架滲透率，結果表明滲透率隨孔隙率增加而明顯提高，進一步說明了孔隙率對骨支架滲透性的重要性。Santos等[29] 研究發現最大滲透率會隨著TPMS結構類型的變化而改變。Pires等[30]研究發現孔隙率增加10%，骨支架滲透性從5.1×10-9 mm2增加到11.7×10-9 mm2。
2.3 孔徑尺寸
骨支架孔隙較大時，代謝廢物和營養物質可以在內部更好地流動；孔隙較小時，可以為細胞附著和增殖提供足夠的表面積以及更好的機械性能[31]。李祥等[32]的研究構建了孔隙率為77%以及孔徑分別為300、500 μm 的 G曲面TPMS單元均質模型及徑向梯度多孔模型，并對其生物力學性能進行檢測。結果表明梯度多孔模型的彈性模量和最大抗壓強度明顯優于均質模型；而在均質模型中，孔徑為 500 μm 的試樣力學性能明顯優于孔徑為 300 μm 的試樣。Ali等[33]利用計算流體力學分析研究了骨支架內的流體流動，結果表明支架的滲透性由其結構決定，孔徑尺寸的任何變化都會降低滲透率。Fu等[34]也通過計算流體動力學分析支架中的流體流動，模擬評估TPMS骨支架滲透率和流體剪切應力。結果顯示增大孔徑會提高支架滲透能力并降低流體剪切應力，提示可以通過調控孔徑尺寸來實現對骨支架性能的控制，應避免直接的細胞?流體接觸以優化細胞分化。目前，多孔骨支架孔徑最優尺寸是研究熱點，Hayashi等[35]認為骨再生的最佳孔徑尺寸為100~350 μm。
2.4 曲率
骨支架微觀結構表面曲率對骨組織再生具有重要影響，Yang等[36]用線性滑移變換和旋轉滑移變換方法對TPMS骨支架進行了扭曲，以調整其曲率分布和楊氏模量。上述兩種方法可以生成對稱或不對稱的曲率分布，使原始TPMS骨支架的晶格曲率分布譜在很大程度上被拓寬，并且可以連續調整楊氏模量并在體積分數為 0.3的情況下，楊氏模量下降幅度可達 90%。上述研究結果顯示構建的骨支架與小梁骨相匹配。每個TPMS骨支架構都具有特定的和周期性的表面曲率分布，可以根據目標組織進行調整。Blanquer等[37]提出可以通過改變單元格數量或支架立方體邊長調節表面曲率，從而調節特定TPMS骨支架的孔隙特征。
2.5 比表面積
骨支架比表面積越大，骨支架吸附能力越強，可為細胞接觸提供更大面積，促進后期細胞貼壁、遷移和增殖[38]。Zhang等[39]定義距離函數來控制TPMS結構，通過權重融合方法執行不同結構TPMS孔單元的轉換，實現了對比表面積的控制，為TPMS骨支架的設計和調節提供了可行方法。秦嘉偉等[40]的研究顯示片狀TPMS比表面積明顯大于桿狀TPMS，在力學性能方面也明顯更具優勢。其中D曲面片狀 TPMS 骨支架優勢最佳，比表面積為 13. 00 mm-1時，骨支架的彈性模量、屈服強度和抗壓強度分別為（5.65±0.08）GPa、（181.03±1.30）MPa 和（239.83±0.45）MPa，比桿狀多孔鈦骨支架分別提高43.87%、55.08%和67.21%。
2.6 扭曲度
扭曲度是指骨支架在受到扭矩作用時發生的扭曲程度。骨支架主要用于支撐和穩定骨骼，扭曲度會對骨支架該作用產生影響。Jin等[41]設計基于4種不同扭曲度的TPMS骨支架，隨后進行了加成制造和表征。研究結果顯示，隨著扭曲度增大，支架的彈性模量和抗壓強度均呈現下降趨勢，滲透率逐漸降低。這些發現有助于評估該支架作為仿生骨材料的可行性。
3 總結與展望
TPMS骨支架的特性主要彰顯于其機械特性和生物特性等方面。在微觀結構層面，通過精確調控孔隙形態、尺寸、孔隙率、曲率、比表面積、扭曲度等諸多參數，以達到與特定植入骨組織位置相協調的目標。研究表明P曲面因其孔隙形狀具有最大孔徑、高結構穩定性以及良好的細胞增殖性，而D曲面在機械性能方面表現出最高的剛度和屈服強度。孔隙率也對骨支架機械性能有重要影響，高孔隙率可能導致機械性能下降。此外，孔隙率增加會提高骨支架滲透性。孔徑尺寸對骨支架的性能同樣至關重要，孔徑較大可以促進流體流動，較小則有利于細胞附著和增殖。曲率也會影響骨支架性能，進而對骨組織再生有重要影響。扭曲度增加可能導致骨支架彈性模量和抗壓強度降低。最后，骨支架的比表面積對細胞附著和增殖具有重要意義，高比表面積有助于細胞生長。整體而言，TPMS骨支架在醫學領域有著廣闊應用前景，但在設計過程中需要平衡不同因素以獲得最佳性能。
TPMS骨支架是一種新興、具有巨大潛力的骨支架設計方法，可以實現對骨骼不同區域的個性化和定制化治療，但尚需開展更深入、更全面研究，以探討并建立更為科學有效的TPMS骨支架選擇標準，從而為其在骨科臨床實踐中的應用提供更可靠的支持和指導。未來的研究應聚焦于多學科協作、生物功能化、臨床研究和新技術應用，以實現更好的治療效果。
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：綜述構思、設計以及文章撰寫、修改；馬劍雄、王巖、馬信龍：提出綜述撰寫方向及修改意見；周麗蕓、李奕揚、申佳慧、董本超、楊培川、李巖：文獻資料收集