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中文摘要

基于增材制造的仿骨小梁多孔支架促进界面骨整合的研究

研究背景：

当骨缺损超过临界大小时不能自愈，采用金属植入物填充缺损具

有即刻负重的优势，假体与骨的界面骨整合是保证长期稳定的关键。

假体的多孔界面设计为骨长入供了空间基础和氧气及营养物质的

运输通道，大量的基础和临床研究都证明其有利于骨长入。目前常见

的多孔设计为规则、均一孔径的立方体设计，与骨小梁的不规则多元

孔径结构有较大差异。研究表明，仿骨小梁设计比规则立方体设计效

果更好，其最有利于骨长入的孔隙率在60%-80%。然而，目前关于仿

骨小梁设计的研究的平均孔径多在小于650μm的范围内，且骨长入

效果随着平均孔径的增大而升。但是大于650μm支架内的骨长入

效果如何仍然未知。增材制造技术因其逐层制造的特点在制造复杂多

孔金属方面具有优势，泰森多边形法（VT法）是一种能够很好地模

拟骨小梁不规则多元孔径的设计方法，因此本研究采用VT法设计、

电子束熔融技术（EBM）制造仿骨小梁支架。

研究目的：

本研究致力于探究平均孔径在更大范围内的仿骨小梁多孔支架

的骨长入效果，以期为植入物的多孔设计供理论依据。

方法：

1.根据VT法，通过Rhino软件及Grasshopper插件设计三种不

同平均孔径的仿骨小梁支架（按照平均孔径从大到小依次记为Ir.Ⅰ、

Ir.Ⅱ和Ir.Ⅲ）和规则立方体支架（记为Cube）。通过EBM技术使用

I

Ti6Al4V粉末打印制造。

2.通过扫电镜(SEM)观察不同多孔钛合金支架的表面形貌，能

量色散X射线光谱仪(EDS)分析元素组成，Micro-CT分析孔径、孔隙

率、比表面积。

3.通过单轴压缩试验比较不同支架的力学性能，有限元分析探

究四组多孔支架力学性能差异的潜在机制。

4.通过SEM检测、细胞骨架染色、活/死染色、CCK-8分别评估

不同支架对细胞黏附、形态、存活、增殖的影响。通过茜素红染色、

碱性磷酸酶（ALP）检测、RT-qPCR评估不同支架对成骨分化的影响。

5.进行兔股骨髁部位植入实验，在6周和12周时通过Micro-CT

和组织学检测评估不同支架的骨长入效果。

结果：

1.所制造的支架均具有粗糙的表面和相似的孔隙率（69.5%–

78.5%）。仿骨小梁支架具有多元孔径特征，平均孔径分别为Ir.Ⅰ：1044

±13μm、Ir.Ⅱ：807±20μm、Ir.Ⅲ：596±2μm；规则立方体支架具

有单一均匀的孔径，为941±2μm。与规则立方体支架相比，仿骨小

梁支架具有更高的比表面积，Ir.Ⅲ具有最高的比表面积。

2.所制造的支架弹性模量在12.0-20.9GPa，与骨小梁弹性模量相

近。仿骨小梁支架应力分布更集中，抗压强度低于规则立方体支架。

3.SEM检测表明支架上的细胞存在大量细胞伪足和伪足间的融

合。活/死染色表明，各组支架上死亡细胞均极少，仿骨小梁支架在多

个层面上均有细胞的存活，而规则立方体支架上的细胞仅在支架表面

存活。CCK-8表明仿骨小梁支架更利于细胞的增殖，Ir.Ⅲ最利于细

胞增殖。细胞骨架染色表明支架上的细胞伸展良好，有非常多的细胞

间融合。仿骨小梁支架上有更多的钙结节沉积，Ir.Ⅲ上的钙沉积最多。

II

仿骨小梁支架上细胞的ALP表达水平更高，Ir.Ⅲ上细胞的ALP表达

水平最高。仿骨小梁支架上细胞的成骨相关基因表达水平更高，Ir.Ⅲ

上细胞的成骨相关基因的表达水平最高

4.组织学表明各组支架内均有新生骨形成。Micro-CT表明与立

方体支架相比，仿骨小梁支架内的骨量更多。其中，平均孔径为596μm

的仿骨小梁支架内的骨量最多。

结论：

通过EBM成功地制造了仿骨小梁支架，并具有良好的生物相容

性。仿骨小梁支架有利于成骨前体细胞的黏附，增殖，成骨分化，和

骨的长入。在596-1044μm的范围内，平均孔径为596μm的仿骨小