科学家距离制造出性能与真实骨骼性能高度一致的人造骨骼又近了一步。

新南威尔士大学的研究人员开发出一种3D打印支架，其强度和孔隙率与天然骨骼高度相似。通过精细调整内部结构，该团队证明这些支架不仅能承受冲击、允许流体穿行，还能为骨骼修复提供支撑。

论文共同作者Juan Pablo Escobedo-Diaz博士在电子邮件中表示：“我们发现了三项重要成果。首先，支架在经受突然冲击时强度显著提升；其次，支架的断裂方式随梯度方向不同而发生改变；第三，流体在支架中的穿行方式与真实骨骼很相似。”

人工骨骼为什么难以制作？

修复或置换受损骨骼是医学领域的一大挑战。外科医生通常采用金属植入物或其他移植骨骼，但这些方案都存在缺陷：金属植入物可能刚性过强并对周围组织造成压力，而移植骨骼供应有限。

3D打印技术为患者特异性骨骼置换带来希望。但开发出可在体内发挥实际作用的人工支架绝非易事。

Escobedo-Diaz解释说：“真实骨骼的结构复杂。它质轻、多孔如海绵，但又非常坚固。这种不规则的海绵状结构导致打印时容易塌陷，许多早期支架都无法精确再造这种结构。”

结构过于致密，细胞便无法向内生长；过于疏松，又容易断裂。如何设计出兼顾强度与孔隙度的结构——并确保其通过医疗审批——一直是研究人员面临的最大障碍之一。

向大自然学习

为攻克这一难题，研究人员从自然界汲取灵感。真实的骨骼并非通体均匀，而是从致密坚硬的区域，逐渐过渡到质轻多孔的海绵区。该团队模拟这种渐变特征，设计出密度平滑变化的支架，即梯度结构。

Escobedo-Diaz指出：“我们采用了受天然骨骼启发的设计原理。在骨骼中，结构会从致密区域逐渐向疏松区域过渡。我们通过打印出不同方向梯度结构的支架，重现了这一原理。”

研究选用的材料是聚乳酸（PLA），这是一种经过广泛研究适用于医疗领域的可生物降解塑料。研究人员将孔隙率保持在55%左右，这一平衡既保证了支架的强度，又能让流体和细胞顺利通过。

测试研究结果

团队对打印出的支架开展了一系列力学测试。一个显著发现是：支架在瞬时冲击下的表现，优于在缓慢、恒定载荷下的表现。Escobedo-Diaz指出：“与缓慢加载相比，其强度和刚度分别提高了约60%和16%。”这种韧性使其在植入后，能够有效抵抗日常意外或压力。

另一项关键发现是，支架的断裂方式取决于梯度方向。这表明打印结构的取向会显著影响其性能，这为设计者提供了额外的调控手段，可根据不同应用场景对材料进行优化。

同样重要的是，研究人员发现流体在支架中的流动方式与天然骨骼高度相似。这种流体运输对骨骼愈合、营养供给和代谢物清除至关重要。

尽管取得了进展，人工支架仍然无法完全替代活体骨骼。Escobedo-Diaz指出：“支架虽然坚固且多孔，但无法像真实骨骼那样自我修复与生长。天然骨骼能适应所承受的载荷，而人工支架则保持固定不变。此外，它们目前还无法在缺乏额外辅助的情况下促进血管生成。”现阶段的支架仅可提供结构支撑，尚无法复刻骨骼的重塑及自我修复能力。

尽管存在上述局限，其应用潜力依然巨大。Escobedo-Diaz给出了一个切实可行的临床应用时间表：“我们预计这些支架将在大约5到10年内用于临床。首先要进行更多测试、完成安全审批和临床制作。它们可在短期内用于研究和患者特异性建模，未来或有助于修复股骨等部位的大面积骨缺损。”

此类支架最终有望替代或补充金属植入物，在创伤、疾病或手术导致的大面积骨缺损病例中应用。

未来方向

研究团队已在考虑后续研究。Escobedo-Diaz透露：“我们计划借助仿生技术进一步改进设计，即借鉴天然骨骼及其他生物结构的构建原理。这包括创建更复杂的模型和梯度，模仿自然界中兼顾强度与轻质的组合方式。”

研究人员还计划在更严苛的条件下测试支架，例如评估其能否经受反复冲击和体内长期使用。最终目标是开发出既坚固安全，又能有效支持机体自然愈合的植入物。

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参考文献：

Kaushik Raj Pyla et al., Biomechanical Performance of Additively Manufactured Bone-Mimicking Scaffolds with Graded Architectures, Advanced Materials Technologies (2025). DOI: 10.1002/admt.202500504

*封图来源：IAOM-US（Pixabay）

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