浙大贺永等设计出3D打印仿生骨支架，让骨骼修复更快、更牢固

来源：及旭同行

传统骨植入物，力学强度高，比如说钛合金钢板，但是缺点是结构致密不容易模拟天然骨骼的生物学特性，会引发骨愈合缓慢，并导致植入失败。

3D打印可以解决这个问题，为骨折或骨缺损“定制骨植入物”，让匹配、骨骼修复的效率变高。

来自宁波大学和浙大的研究团队设计完成了这样的仿生骨支架，即利用三周期极小曲面（TPMS）结构+3D打印技术设计而来，它有着仿生力学特性，也能促骨再生功能。

宁波大学的金育安教授和浙大贺永教授领衔研发团队，成果发表于2025年7月5日在Bio-Design and Manufacturing期刊（医学1区TOP期刊，IF=7.6）上在线发表了。题目为Bone implants with triply periodic minimal surface architectures: design, fabrication, and biological performance（具有三周期极小曲面结构的骨植入体: 设计、制造和生物学特性）。



研究文章全文，https://doi.org/10.1631/bdm.2400267

研究团队借鉴了蝴蝶翅膀、海绵骨架，创新性地采用三周期极小曲面（TPMS）来设计骨支架。这种结构特点是具有高孔隙率（55%-95%），其内部相互贯通的孔道为血管生长和骨细胞迁移提供了理想环境。实验数据显示，当孔隙尺寸控制在300-600μm时，细胞增殖效率可提升2倍以上，而孔径大于800μm时则更有利于营养物质的运输。

团队通过梯度调控技术，使支架从外到内呈现孔隙大小渐变（如外层800μm过渡到内层300μm），成功复现了天然骨组织的密度分布特性。在力学性能方面，采用TPMS模型的支架展现出较好的适应性：其弹性模量可在2-20GPa范围内精确调控，与人体皮质骨（约17GPa）和松质骨（约0.5GPa）实现精准匹配。这种特性解决了传统植入物存在的骨质流失问题——当支架与骨骼的力学性能不匹配时，植入物承受了过多负荷，导致周围骨组织因缺乏力学刺激而退化。通过压缩试验证实，TPMS结构的屈服强度可达520MPa，远高于传统多孔支架的200MPa水平。



图：3D打印技术助力微结构柔性压力传感器的感测机理、结构设计、制备与应用

传统制造工艺对TPMS的复杂几何结构束手无策，研究团队采用国产激光粉末床融合（LPBF）技术（如华曙高科设备），配合自主研发的工艺参数包，成功实现了微米级精度的支架制造。在金属支架方面，钛合金（Ti-6Al-4V）支架的打印精度达到±25μm，孔隙率偏差小于2%；而钽合金支架更展现出优异的生物相容性，动物实验显示其骨整合速度比传统钛支架快40%。在陶瓷材料领域，团队采用数字光处理（DLP）技术制备的羟基磷灰石支架，其化学成分与天然骨矿物相相似度达95%，抗压强度达到92MPa，可以满足非承重部位的骨修复需要。



图：利用3D打印技术制备不同类型的微结构

特别值得一提的是，可降解聚合物支架，使用了聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）材料，降解速率可通过TPMS结构设计调控在6-24个月范围内，与骨愈合周期相匹配。通过微CT扫描验证，所有打印支架的孔道贯通率均超过99%，高于传统发泡法制备支架的70%水平。此外，团队开发的智能算法可将患者CT数据在8小时内转化为可打印的TPMS模型文件。

实验数据显示，TPMS支架与天然骨骼的力学特性高度匹配。在压缩测试中，钛合金TPMS支架的弹性模量稳定在2.7-7.4GPa范围内，覆盖了人体松质骨到皮质骨的力学需求。更令人惊喜的是，其疲劳寿命达到传统多孔结构的197%，即便模拟人体日常活动，百万次循环测试后仍保持结构完整性。

这种优异的抗疲劳性能主要归功于TPMS独特的曲面结构，能有效分散应力，避免局部应力集中导致的裂纹扩展。

在细胞实验中，成骨细胞在TPMS支架上的增殖速度达到传统支架的2倍多。通过扫描电镜观察发现，细胞能更好地贴附在TPMS的曲面上。动物实验结果显示，在兔子胫骨植入实验中，仅6周就观察到新生骨组织完全填充支架孔隙，新生血管密度达到35±8个/mm2，远超对照组的12±3个/mm2。组织切片显示，TPMS支架周围的骨长入深度达到1.2±0.3mm，是传统支架的2倍。

目前该技术已在临床前试验中成功应用于颅骨和颌面骨修复。一例犬下颌骨缺损模型显示，使用定制化TPMS支架后，骨愈合时间从常规的12周缩短至8周。团队开发的智能设计系统可根据患者CT数据，在24小时内生成匹配度达95%以上的个性化支架模型。随着国产3D打印设备的成熟，单个支架的制造成本已降低至传统工艺的60%，这为未来大规模临床应用提供了基础。



图：3D打印微结构在生理信号监测、动作识别以及软体机器人领域的应用

这项突破性技术正在重塑骨科医疗的未来格局，其现实意义主要体现在三个维度：首先在个性化医疗方面，基于患者CT数据的智能算法可在8小时内完成从影像扫描到可打印模型的全流程转化，匹配精度达到亚毫米级（0.3-0.5mm）。临床数据显示，这种定制化支架的贴合度比标准型号提升40%，手术时间缩短30%。在普惠医疗层面，国产化设备带来显著成本优势。华曙高科最新研发的金属3D打印机使单个钛合金支架的制造成本控制在5000元以内，仅为进口产品的1/3。配合团队开发的云平台，基层医院也可实现远程设计、集中打印的协作模式。最引人注目的是可降解镁合金支架的突破。最新实验表明，添加锌、钙元素的镁合金TPMS支架在维持足够力学强度（抗压强度＞150MPa）的同时，降解速率可精准控制在6-18个月，匹配骨愈合周期。这意味着患者无需承受二次手术取出植入体的痛苦，相关医疗费用可降低50%。



图：3D打印微结构在柔性压力传感器领域的发展趋势

柔性压力传感器的发展虽已取得显著突破，但在仍面临关键挑战，重点集中在三大方向：

首先是多材料3D打印工艺的优化，需要解决不同功能材料的界面融合与打印精度问题；其次是智能微结构设计的创新，如何实现动态响应与静态性能的平衡成为关键；最后是环境稳定性的提升，特别是在复杂工况下的长期可靠性保障。通

过引入功能梯度结构设计，可以显著改善传感器的灵敏度和量程范围；开发具有刺激响应特性的智能微结构，则有望实现自适应感知功能；而多维感知集成技术的突破，将使单一传感器具备压力、温度等多参数同步检测能力。这些创新将推动柔性压力传感器突破现有性能局限，在智能可穿戴设备、精准医疗监测和沉浸式人机交互等高端应用场景发挥更大价值。特别是在医疗健康领域，新一代传感器有望实现创面压力动态监测、康复训练评估等创新应用，为智慧医疗发展提供关键技术支撑。

通讯作者简介




金育安，宁波大学机械工程与力学学院教授，入选宁波市青年科技创新领军人才、宁波市领军与拔尖人才第三层次。博士毕业于浙江大学机械制造及其自动化专业，主要研究方向为 3D 打印多功能结构与器件。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等科研项目 10 项，以第一/通讯作者发表 SCI/EI 收录学术论文 38 篇，其中 TOP 期刊论文 15 篇，论文被引用超 2000 次，授权国家发明专利 15 项。更多资料，http://eng.nbu.edu.cn/info/1494/18802.htm



贺永，国家杰出青年科学基金获得者，互联网+大学生创新创业大赛国赛金奖指导教师，浙江省首席科学传播专家。现任浙江大学求是特聘教授，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室副主任，长三角国创中心超精密与生物制造研究所所长，Bio-Design Manufacturing 期刊副主编、Biofabrication期刊编委。从事增材制造及生物制造研究工作，主持杰青、基金重点、联合基金重点等国家自然科学基金6项，基金委创新群体项目“运动系统组织工程与再生研究”核心成员，出版生物3D打印专著2本，授权发明专利50余件，在Science Translational Medicine、Nature Protocols、Nature Reviews Bioengineering、Cell Biomaterials等期刊发表SCI论文100余篇，H因子70，论文被引1.5万余次。兼任机械工程学会生物制造分会常务委员、生物材料学会先进制造分会副主任委员、国家医用增材制造标准委员会委员，创建EFL品牌（Engineering for Life），致力于医工交叉研究及成果转化。更多阅读，https://person.zju.edu.cn/heyongzju