增材制造多孔骨植入体的生物力学与力学生物学协同优化

来源：EFL生物3D打印与生物制造

随着医疗健康需求的持续增长，骨组织修复与再生成为生物医学工程领域的重要挑战。作为人体主要的承重器官，骨骼不仅需要满足复杂的力学支撑要求，同时也承担着活跃的生物学功能，如细胞黏附、血管生成和组织修复。传统金属植入体虽然具有优异的力学性能和生物相容性，但因其致密结构和高刚度，常导致应力屏蔽、骨吸收以及生物整合不足等问题，影响长期临床效果。近年来，金属增材制造（AM）技术的兴起，使得构建具有精确孔隙结构的多孔骨植入体成为可能，不仅能够调控植入体的弹性模量和力学分布，还能为细胞活动和血管生成提供理想微环境，展现出巨大的应用潜力。

尽管增材制造多孔植入体在生物力学和力学生物学性能提升方面已取得积极进展，但在实现真正高性能、长寿命植入体的道路上仍面临诸多关键挑战。本综述系统探讨以下三大关键问题：（a）多孔结构在提升植入体生物力学稳定性中的作用，包括优化应力分布、降低应力屏蔽、增强疲劳耐久性和维持承载能力；（b）多孔结构在促进细胞附着、增殖与骨组织生长中的力学生物学机制，以及在促进骨整合与长期再生中的关键作用；（c）如何在设计中权衡结构完整性与生物功能性之间的矛盾，制定兼顾力学与生物性能的优化策略。希望通过系统梳理关键因素与设计原则，为基于增材制造的多孔骨植入体开发提供理论指导与应用参考，推动该领域迈向更高水平的临床转化与实践应用。

图1 金属多孔骨植入体的生物力学与力学生物学作用机制示意图

1. 多孔骨植入体的设计原则与策略
首先围绕承重多孔骨植入体的设计需求，系统总结了制造可行性、力学稳定性与生物相容性三大基本设计原则，并深入分析了孔隙率、孔径、孔形及材料特性等关键变量的调控策略，讨论了基于TPMS、梯度多孔、拓扑优化等先进方法的设计进展，为实现仿生性能优化提供了系统思路。

图2 多孔骨植入体设计原则示意图

2. 多孔植入体的生物力学性能优化
针对承重应用对植入体力学性能的苛刻要求，综述重点讨论了弹性模量匹配、应力分布优化、疲劳性能提升及骨固定与长期稳定性的研究进展，阐明了不同孔隙设计对力学行为的调控机制，并梳理了利用有限元分析与拓扑优化辅助设计的最新成果。

图3 多孔承重骨植入体设计中与天然骨弹性模量匹配的策略

图4 多孔承重骨植入体设计应力分布优化策略

3. 多孔植入体的力学生物学作用机制
从细胞层面和组织层面出发，系统探讨了多孔结构在植入后调控血管生成、模仿细胞外基质（ECM）微环境、促进细胞粘附、迁移与分化等生物过程的机理。进一步指出了孔径、孔连通性与表面功能化等微结构特征在力学生物学信号传递过程中的关键作用。

图5 金属多孔骨植入体血管生成的促进策略

图6 金属多孔骨植入体细胞外基质仿生与细胞响应增强机制

4. 挑战与未来发展方向
最后，综述总结了当前增材制造多孔植入体在设计、制造与临床转化过程中面临的主要挑战，包括力学-生物性能平衡、多尺度结构优化、长周期疲劳可靠性验证及个性化定制需求。展望了未来通过多材料打印、智能响应微结构与机器学习辅助设计等新兴技术，推动该领域持续突破。

图7 多孔骨植入体设计中的生物力学与力学生物学协同优化

本综述围绕增材制造承重多孔骨植入体，从生物力学与力学生物学两大视角系统梳理了最新研究进展，总结了关键设计策略与未来发展趋势，旨在为高性能骨植入体的设计优化、智能制造及临床应用提供理论支持与实践指导。相关论文以 “Biomechanics and Mechanobiology of Additively Manufactured Porous Load〣earing Bone Implants” 为题，发表在期刊《Small》上，宁波大学金育安教授为第一作者兼通讯作者，浙江大学贺永教授担任共同通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金和宁波市青年科技领军人才项目的资助。

文章来源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202409955