骨骼的復雜性遠超人們的想象。它們既輕盈、多孔又堅固——這種組合長期以來一直是工程師和臨床醫(yī)生在嘗試替換或修復骨骼時面臨的挑戰(zhàn)。金屬植入物和骨移植仍然是標準解決方案，但它們在體內(nèi)很少能像真正的骨骼那樣運作。

新南威爾士大學堪培拉分校的研究人員正在探索3D打印技術能否彌補這一空白。他們的研究重點是可生物降解的骨支架，旨在更好地匹配骨骼的內(nèi)部結(jié)構和力學響應，而不僅僅是填充缺損部位。

博士生考?？?/span>·拉杰·皮拉（中）與他的導師胡安·巴勃羅·埃斯科貝多-迪亞茲（左）和保羅·哈澤爾（右）合影。（圖片來源：新南威爾士大學堪培拉分校）

超越統(tǒng)一的腳手架設計

該團隊研發(fā)出3D打印支架，能夠復制天然骨骼的關鍵特征，包括強度和孔隙率。植入后，這些支架可作為臨時支撐，促進新組織的形成，然后逐漸溶解。理論上，這可以減少后續(xù)手術的需要。

主要區(qū)別在于支架的設計。研究人員沒有采用均勻重復的圖案，而是采用了隨機晶格結(jié)構。這種不規(guī)則的結(jié)構更接近骨骼，骨骼的密度會根據(jù)位置和功能而變化。支架采用聚乳酸（PLA）打印而成，PLA是一種可生物降解的聚合物，已在醫(yī)療應用領域得到廣泛研究。

一種采用3D打印技術制造的隨機網(wǎng)狀結(jié)構，旨在模擬天然骨骼的內(nèi)部結(jié)構。（圖片來源：Kaushik Raj Pyla）

在實際條件下進行電阻測試

為了評估性能，研究團隊打印了具有不同內(nèi)部方向的腳手架，包括縱向、橫向和對角方向。力學測試表明，這些結(jié)構比緩慢穩(wěn)定的載荷更能承受突發(fā)沖擊。失效模式也因方向而異，這表明內(nèi)部結(jié)構的作用比之前認為的更為重要。

“在快速受力的情況下，這種材料會變得更脆，但也能更有效地吸收能量。這對于跌倒或事故等現(xiàn)實場景尤為重要，”該研究的主要作者考?？恕だ堋てだf道。

為什么血液流動對愈合至關重要

然而，機械強度只是影響愈合效果的一部分。研究人員還考察了體液在支架中的流動情況，這對于愈合至關重要。血液和營養(yǎng)物質(zhì)必須能夠自由循環(huán)，才能促進細胞生長和再生。

“我們發(fā)現(xiàn)，有些設計在強度和液體循環(huán)方面表現(xiàn)特別出色。這表明，可以根據(jù)不同骨骼所承受的應力來調(diào)整植入物，”皮拉先生補充道。

這些支架尚未準備好用于臨床，還需要進行進一步的生物學測試和監(jiān)管工作。盡管如此，結(jié)果表明，骨修復可以采用更多針對特定患者的治療方案。隨著醫(yī)用增材制造技術的進步，此類研究強調(diào)，設計選擇與材料選擇同等重要。

編譯整理：3dnatives