引用本文： 孙亚迪, 马剑雄, 王岩, 董本超, 杨培川, 李岩, 李奕扬, 周丽芸, 申佳慧, 马信龙. 三周期极小曲面骨支架微观结构对支架性能的影响研究进展. 中国修复重建外科杂志, 2023, 37(10): 1314-1318. doi: 10.7507/1002-1892.202305004 复制
股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是骨科常见病、难治病，随着病情进展可能会发生股骨头塌陷，致残率高[1]。近年研究发现在塌陷骨组织部位植入骨支架，能为股骨头提供良好力学支撑，同时骨支架孔隙可为骨细胞提供生长空间，促进骨生长、整合，允许与周围组织进行充分的废物和营养交换，并在兔ONFH 模型中获得较好效果，有望成为临床治疗ONFH的新方法[2-4]。而骨支架的机械强度及其长期稳定性是用于治疗ONFH的关键[5]。因此如何增强骨支架力学强度，以为受损部位提供稳固支撑并促进适当的血液灌注，成为骨支架设计备受关注的焦点。
近年，增材制造技术和计算机辅助设计技术发展成熟，制造复杂多孔支架成为可能，学者们也不断探索各种设计方法以模仿天然骨结构[6]。晶胞是支架基本结构，设计类型可分为非参数化和参数化两种。其中，非参数化设计是采用简单结构作为最基本造孔单元，利用计算机辅助设计和布尔运算在骨支架内构建多孔结构[7]。这些规则结构具有设计简单、机械性能可预测和孔隙率可控等优点，但构建的骨支架内部结构简单且边缘太尖锐，不能与人原生骨紧密结合。参数化设计是利用参数化建模软件，通过设定骨支架关键参数，实现自动化设计。在该类型设计中，通常由三周期极小曲面（triply-periodic minimal surface，TPMS）或泰森多边形构成骨支架，其中TPMS是最常用设计。TPMS结构可以用精确的数学函数表达，构成的骨支架其基本性能可以通过调整功能参数直接控制，具有可控的内部微观结构，包括孔径、形状和孔隙率等[8-10]。适宜的微观结构是实现骨支架理想力学和生物学特性的基础[11]。现对TPMS骨支架微观结构相关研究进行总结，分析微观结构对该类型骨支架性能的影响。
1 TPMS类型
TPMS是一个具有零平均曲率的周期性隐式曲面[12]，使用隐式方程表示，因此设计灵活性高[13]。根据形态学分型，TPMS通常可以分为杆状和片状两种。前者是具有单个空隙域的实体结构，后者则是具有两个分隔区域的不相连空隙结构。Al-Ketan等[14]对杆状和片状TPMS进行了准静态压缩测试，并通过相应的压缩应力-应变反应分析其机械性能。结果显示片状TPMS在应力和应变响应方面优于杆状TPMS，显示出良好的机械性能。同样Belda等[15]的研究也显示片状 TPMS弹性高于实体结构（类似于基于支柱的几何形状）。
人体骨组织的皮质骨和松质骨之间是具有特殊梯度变化的层次结构[16]。为了实现与植入部位骨组织的良好匹配，学者们又引入了功能梯度TPMS和异构TPMS的设计策略。功能梯度TPMS可通过调整孔径、体积、密度等参数，制造与宿主骨匹配的骨支架，结合仿生设计来模仿骨结构，从而使支架能够适应植入部位的骨形态学变化[17]。异构TPMS可简单概括为由单一类型晶格组成的梯度结构和由多种类型晶格组成的梯度结构[18]。通过调整异构TPMS的内部微观结构方向和类型，可以拓展设计空间，更好地模拟人体组织结构，改变结构参数并平衡生物和机械性能，提供更多定制化设计的可能性[19]。Zhang等[19]的研究构建了由杆状和片状TPMS构建的异构骨支架，在吸收效率和机械稳定性、能量吸收、变形和失效行为调节方面表现出显著优越性。
2 TPMS微观结构对骨支架性能的影响
2.1 孔隙形状
不同的孔隙形状对骨支架机械和生物特性影响不同[6]。TPMS是通过立方体平移晶胞的周期性重复来构建具有规则孔隙几何形状的多孔支架[20]，常见的TPMS有P曲面、G曲面、D曲面等[21]。 其中，P曲面具有最大孔径、最高结构稳定性以及允许细胞良好增殖的特点[22]。Kladovasilakis等[23]通过准静态压缩测试研究了G曲面、D曲面和P曲面支架机械性能，发现D曲面支架刚度和屈服强度最高，G曲面支架也表现出类似机械性能，而P曲面支架刚度和屈服强度最低。Yánez等[24-25]通过压缩试验、扭转试验和有限元分析，研究了正常以及不同角度变形（19°、21.5°、26°、35°、55°、64° 和68.5°）的G曲面支架力学性能，发现G曲面支架的弹性模量和抗压强度与轴向支柱角度成反比。正常G曲面支架孔隙呈球形，因此其力学性能均匀性优于变形G曲面支架。为将G曲面支架用于人骨组织修复，还需要对其进一步优化，使支架能支持不同方向、不同类型的载荷[25]。
2.2 孔隙率
骨支架力学承载能力与孔隙率密切相关[6]。Henkel等[26]发现TPMS骨支架机械强度随着孔隙率增加而下降，压缩强度均在松质骨正常范围内或略高（2~12 MPa），弹性模量接近于皮质骨（7~30 GPa），表明该骨支架能满足松质骨修复的力学性能要求。Ma等[27]的研究发现当孔隙率为88.8%时，TPMS骨支架中细胞数量最多，但机械性能下降，很难保持最佳机械强度，表明高孔隙率意味着支架内部固体组分减少、机械性能降低。因此，在设计骨支架时需要在机械强度和孔隙率以及孔径之间进行平衡。Belda等[15]设计了8种TPMS结构，包括6个孔隙率水平，形态学表征结果表明TPMS结构具有正交异性力学行为，且随着孔隙率增加，正交各向异性机械特性呈指数下降趋势。
孔隙率除了影响骨支架的力学性能外，还会影响渗透性。Asbai-Ghoudan等[28]利用计算流体力学观察了3种TPMS骨支架渗透率，结果表明渗透率随孔隙率增加而明显提高，进一步说明了孔隙率对骨支架渗透性的重要性。Santos等[29]研究发现最大渗透率会随着TPMS结构类型的变化而改变。Pires等[30]研究发现孔隙率增加10%，骨支架渗透性从5.1×10–9 mm2增加到11.7×10–9 mm2。
2.3 孔径尺寸
骨支架孔隙较大时，代谢废物和营养物质可以在内部更好地流动；孔隙较小时，可以为细胞附着和增殖提供足够的表面积以及更好的机械性能[31]。李祥等[32]的研究构建了孔隙率为77%以及孔径分别为300、500 μm 的 G曲面TPMS单元均质模型及径向梯度多孔模型，并对其生物力学性能进行检测。结果表明梯度多孔模型的弹性模量和最大抗压强度明显优于均质模型；而在均质模型中，孔径为 500 μm 的试样力学性能明显优于孔径为 300 μm 的试样。Ali等[33]利用计算流体力学分析了骨支架内的流体流动，结果表明支架的渗透性由其结构决定，孔径尺寸的任何变化都会降低渗透率。Fu等[34]也通过计算流体力学分析支架中的流体流动，模拟评估TPMS骨支架渗透率和流体剪切应力。结果显示增大孔径会提高支架渗透能力并降低流体剪切应力，提示可以通过调控孔径尺寸来实现对骨支架性能的控制，应避免直接的细胞‑流体接触，以优化细胞分化。目前，多孔骨支架孔径最优尺寸是研究热点，Hayashi等[35]认为骨再生的最佳孔径尺寸为100～350 μm。
2.4 曲率
骨支架微观结构表面曲率对骨组织再生具有重要影响，Yang等[36]用线性滑移变换和旋转滑移变换方法对TPMS骨支架进行了扭曲，以调整其曲率分布和杨氏模量。上述两种方法可以生成对称或不对称的曲率分布，使原始TPMS骨支架的晶格曲率分布谱在很大程度上被拓宽，并且可以连续调整杨氏模量，在体积分数为 0.3的情况下，杨氏模量下降幅度可达 90%。上述研究结果显示构建的骨支架与小梁骨相匹配。每个TPMS骨支架结构都具有特定的和周期性的表面曲率分布，可以根据目标组织进行调整。Blanquer等[37]提出可以通过改变单元格数量或支架立方体边长调节表面曲率，从而调节特定TPMS骨支架的孔隙特征。
2.5 比表面积
骨支架比表面积越大，骨支架吸附能力越强，可为细胞接触提供更大面积，促进后期细胞贴壁、迁移和增殖[38]。Zhang等[39]定义距离函数来控制TPMS结构，通过权重融合算法对TPMS不同结构进行转换，实现了对比表面积的控制，为TPMS骨支架的设计和调节提供了可行方法。秦嘉伟等[40]的研究显示片状TPMS比表面积明显大于杆状TPMS，在力学性能方面也明显更具优势。其中D曲面片状 TPMS 骨支架优势最佳，比表面积为 13.00 mm–1时，骨支架弹性模量、屈服强度和抗压强度分别为（5.65±0.08）GPa、（181.03±1.30）MPa 和（239.83±0.45）MPa，比杆状多孔钛骨支架分别提高43.87%、55.08%和67.21%。
2.6 扭曲度
扭曲度是指骨支架在受到扭矩作用时发生的扭曲程度。骨支架主要用于支撑和稳定骨骼，扭曲度会对骨支架的上述作用产生影响。Jin等[41]设计基于4种不同扭曲度的TPMS骨支架，并进行加成制造和表征。研究结果显示，随着扭曲度增大，支架的弹性模量和抗压强度均呈下降趋势，渗透率逐渐降低。这些发现有助于评估该支架作为仿生骨材料的可行性。
3 总结与展望
TPMS骨支架的特性主要表现在机械特性和生物特性等方面。在微观结构层面，通过精确调控孔隙形态、尺寸、孔隙率、曲率、比表面积、扭曲度等诸多参数，可达到与特定植入骨组织位置相协调的目标。研究表明P曲面支架具有最大孔径、高结构稳定性以及良好的细胞增殖性，而D曲面支架在机械性能方面表现出最高的刚度和屈服强度。孔隙率也对骨支架机械性能有重要影响，高孔隙率可能导致机械性能下降；此外，孔隙率增加会提高骨支架渗透性。孔径尺寸对骨支架性能的影响同样至关重要，孔径较大可以促进流体流动，较小则有利于细胞附着和增殖。曲率也会影响骨支架性能，进而对骨组织再生有重要影响。扭曲度增加可能导致骨支架弹性模量和抗压强度降低。最后，骨支架的比表面积对细胞附着和增殖具有重要意义，高比表面积有助于细胞生长。整体而言，TPMS骨支架在医学领域有着广阔应用前景，但在设计过程中需要平衡不同因素以获得最佳性能。
TPMS骨支架是一种新兴、具有巨大潜力的骨支架设计方法，可以实现对骨骼不同区域的个性化和定制化治疗，但尚需开展更深入、更全面研究，以探讨并建立更为科学有效的TPMS骨支架选择标准，从而为其在骨科临床实践中的应用提供更可靠的支持和指导。未来的研究应聚焦于多学科协作、生物功能化、临床研究和新技术应用，以实现更好的治疗效果。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点和报道
作者贡献声明 孙亚迪：综述构思、设计以及文章撰写、修改；马剑雄、王岩、马信龙：提出综述撰写方向及修改意见；周丽芸、李奕扬、申佳慧、董本超、杨培川、李岩：文献资料收集
股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是骨科常见病、难治病，随着病情进展可能会发生股骨头塌陷，致残率高[1]。近年研究发现在塌陷骨组织部位植入骨支架，能为股骨头提供良好力学支撑，同时骨支架孔隙可为骨细胞提供生长空间，促进骨生长、整合，允许与周围组织进行充分的废物和营养交换，并在兔ONFH 模型中获得较好效果，有望成为临床治疗ONFH的新方法[2-4]。而骨支架的机械强度及其长期稳定性是用于治疗ONFH的关键[5]。因此如何增强骨支架力学强度，以为受损部位提供稳固支撑并促进适当的血液灌注，成为骨支架设计备受关注的焦点。
近年，增材制造技术和计算机辅助设计技术发展成熟，制造复杂多孔支架成为可能，学者们也不断探索各种设计方法以模仿天然骨结构[6]。晶胞是支架基本结构，设计类型可分为非参数化和参数化两种。其中，非参数化设计是采用简单结构作为最基本造孔单元，利用计算机辅助设计和布尔运算在骨支架内构建多孔结构[7]。这些规则结构具有设计简单、机械性能可预测和孔隙率可控等优点，但构建的骨支架内部结构简单且边缘太尖锐，不能与人原生骨紧密结合。参数化设计是利用参数化建模软件，通过设定骨支架关键参数，实现自动化设计。在该类型设计中，通常由三周期极小曲面（triply-periodic minimal surface，TPMS）或泰森多边形构成骨支架，其中TPMS是最常用设计。TPMS结构可以用精确的数学函数表达，构成的骨支架其基本性能可以通过调整功能参数直接控制，具有可控的内部微观结构，包括孔径、形状和孔隙率等[8-10]。适宜的微观结构是实现骨支架理想力学和生物学特性的基础[11]。现对TPMS骨支架微观结构相关研究进行总结，分析微观结构对该类型骨支架性能的影响。
1 TPMS类型
TPMS是一个具有零平均曲率的周期性隐式曲面[12]，使用隐式方程表示，因此设计灵活性高[13]。根据形态学分型，TPMS通常可以分为杆状和片状两种。前者是具有单个空隙域的实体结构，后者则是具有两个分隔区域的不相连空隙结构。Al-Ketan等[14]对杆状和片状TPMS进行了准静态压缩测试，并通过相应的压缩应力-应变反应分析其机械性能。结果显示片状TPMS在应力和应变响应方面优于杆状TPMS，显示出良好的机械性能。同样Belda等[15]的研究也显示片状 TPMS弹性高于实体结构（类似于基于支柱的几何形状）。
人体骨组织的皮质骨和松质骨之间是具有特殊梯度变化的层次结构[16]。为了实现与植入部位骨组织的良好匹配，学者们又引入了功能梯度TPMS和异构TPMS的设计策略。功能梯度TPMS可通过调整孔径、体积、密度等参数，制造与宿主骨匹配的骨支架，结合仿生设计来模仿骨结构，从而使支架能够适应植入部位的骨形态学变化[17]。异构TPMS可简单概括为由单一类型晶格组成的梯度结构和由多种类型晶格组成的梯度结构[18]。通过调整异构TPMS的内部微观结构方向和类型，可以拓展设计空间，更好地模拟人体组织结构，改变结构参数并平衡生物和机械性能，提供更多定制化设计的可能性[19]。Zhang等[19]的研究构建了由杆状和片状TPMS构建的异构骨支架，在吸收效率和机械稳定性、能量吸收、变形和失效行为调节方面表现出显著优越性。
2 TPMS微观结构对骨支架性能的影响
2.1 孔隙形状
不同的孔隙形状对骨支架机械和生物特性影响不同[6]。TPMS是通过立方体平移晶胞的周期性重复来构建具有规则孔隙几何形状的多孔支架[20]，常见的TPMS有P曲面、G曲面、D曲面等[21]。 其中，P曲面具有最大孔径、最高结构稳定性以及允许细胞良好增殖的特点[22]。Kladovasilakis等[23]通过准静态压缩测试研究了G曲面、D曲面和P曲面支架机械性能，发现D曲面支架刚度和屈服强度最高，G曲面支架也表现出类似机械性能，而P曲面支架刚度和屈服强度最低。Yánez等[24-25]通过压缩试验、扭转试验和有限元分析，研究了正常以及不同角度变形（19°、21.5°、26°、35°、55°、64° 和68.5°）的G曲面支架力学性能，发现G曲面支架的弹性模量和抗压强度与轴向支柱角度成反比。正常G曲面支架孔隙呈球形，因此其力学性能均匀性优于变形G曲面支架。为将G曲面支架用于人骨组织修复，还需要对其进一步优化，使支架能支持不同方向、不同类型的载荷[25]。
2.2 孔隙率
骨支架力学承载能力与孔隙率密切相关[6]。Henkel等[26]发现TPMS骨支架机械强度随着孔隙率增加而下降，压缩强度均在松质骨正常范围内或略高（2~12 MPa），弹性模量接近于皮质骨（7~30 GPa），表明该骨支架能满足松质骨修复的力学性能要求。Ma等[27]的研究发现当孔隙率为88.8%时，TPMS骨支架中细胞数量最多，但机械性能下降，很难保持最佳机械强度，表明高孔隙率意味着支架内部固体组分减少、机械性能降低。因此，在设计骨支架时需要在机械强度和孔隙率以及孔径之间进行平衡。Belda等[15]设计了8种TPMS结构，包括6个孔隙率水平，形态学表征结果表明TPMS结构具有正交异性力学行为，且随着孔隙率增加，正交各向异性机械特性呈指数下降趋势。
孔隙率除了影响骨支架的力学性能外，还会影响渗透性。Asbai-Ghoudan等[28]利用计算流体力学观察了3种TPMS骨支架渗透率，结果表明渗透率随孔隙率增加而明显提高，进一步说明了孔隙率对骨支架渗透性的重要性。Santos等[29]研究发现最大渗透率会随着TPMS结构类型的变化而改变。Pires等[30]研究发现孔隙率增加10%，骨支架渗透性从5.1×10–9 mm2增加到11.7×10–9 mm2。
2.3 孔径尺寸
骨支架孔隙较大时，代谢废物和营养物质可以在内部更好地流动；孔隙较小时，可以为细胞附着和增殖提供足够的表面积以及更好的机械性能[31]。李祥等[32]的研究构建了孔隙率为77%以及孔径分别为300、500 μm 的 G曲面TPMS单元均质模型及径向梯度多孔模型，并对其生物力学性能进行检测。结果表明梯度多孔模型的弹性模量和最大抗压强度明显优于均质模型；而在均质模型中，孔径为 500 μm 的试样力学性能明显优于孔径为 300 μm 的试样。Ali等[33]利用计算流体力学分析了骨支架内的流体流动，结果表明支架的渗透性由其结构决定，孔径尺寸的任何变化都会降低渗透率。Fu等[34]也通过计算流体力学分析支架中的流体流动，模拟评估TPMS骨支架渗透率和流体剪切应力。结果显示增大孔径会提高支架渗透能力并降低流体剪切应力，提示可以通过调控孔径尺寸来实现对骨支架性能的控制，应避免直接的细胞‑流体接触，以优化细胞分化。目前，多孔骨支架孔径最优尺寸是研究热点，Hayashi等[35]认为骨再生的最佳孔径尺寸为100～350 μm。
2.4 曲率
骨支架微观结构表面曲率对骨组织再生具有重要影响，Yang等[36]用线性滑移变换和旋转滑移变换方法对TPMS骨支架进行了扭曲，以调整其曲率分布和杨氏模量。上述两种方法可以生成对称或不对称的曲率分布，使原始TPMS骨支架的晶格曲率分布谱在很大程度上被拓宽，并且可以连续调整杨氏模量，在体积分数为 0.3的情况下，杨氏模量下降幅度可达 90%。上述研究结果显示构建的骨支架与小梁骨相匹配。每个TPMS骨支架结构都具有特定的和周期性的表面曲率分布，可以根据目标组织进行调整。Blanquer等[37]提出可以通过改变单元格数量或支架立方体边长调节表面曲率，从而调节特定TPMS骨支架的孔隙特征。
2.5 比表面积
骨支架比表面积越大，骨支架吸附能力越强，可为细胞接触提供更大面积，促进后期细胞贴壁、迁移和增殖[38]。Zhang等[39]定义距离函数来控制TPMS结构，通过权重融合算法对TPMS不同结构进行转换，实现了对比表面积的控制，为TPMS骨支架的设计和调节提供了可行方法。秦嘉伟等[40]的研究显示片状TPMS比表面积明显大于杆状TPMS，在力学性能方面也明显更具优势。其中D曲面片状 TPMS 骨支架优势最佳，比表面积为 13.00 mm–1时，骨支架弹性模量、屈服强度和抗压强度分别为（5.65±0.08）GPa、（181.03±1.30）MPa 和（239.83±0.45）MPa，比杆状多孔钛骨支架分别提高43.87%、55.08%和67.21%。
2.6 扭曲度
扭曲度是指骨支架在受到扭矩作用时发生的扭曲程度。骨支架主要用于支撑和稳定骨骼，扭曲度会对骨支架的上述作用产生影响。Jin等[41]设计基于4种不同扭曲度的TPMS骨支架，并进行加成制造和表征。研究结果显示，随着扭曲度增大，支架的弹性模量和抗压强度均呈下降趋势，渗透率逐渐降低。这些发现有助于评估该支架作为仿生骨材料的可行性。
3 总结与展望
TPMS骨支架的特性主要表现在机械特性和生物特性等方面。在微观结构层面，通过精确调控孔隙形态、尺寸、孔隙率、曲率、比表面积、扭曲度等诸多参数，可达到与特定植入骨组织位置相协调的目标。研究表明P曲面支架具有最大孔径、高结构稳定性以及良好的细胞增殖性，而D曲面支架在机械性能方面表现出最高的刚度和屈服强度。孔隙率也对骨支架机械性能有重要影响，高孔隙率可能导致机械性能下降；此外，孔隙率增加会提高骨支架渗透性。孔径尺寸对骨支架性能的影响同样至关重要，孔径较大可以促进流体流动，较小则有利于细胞附着和增殖。曲率也会影响骨支架性能，进而对骨组织再生有重要影响。扭曲度增加可能导致骨支架弹性模量和抗压强度降低。最后，骨支架的比表面积对细胞附着和增殖具有重要意义，高比表面积有助于细胞生长。整体而言，TPMS骨支架在医学领域有着广阔应用前景，但在设计过程中需要平衡不同因素以获得最佳性能。
TPMS骨支架是一种新兴、具有巨大潜力的骨支架设计方法，可以实现对骨骼不同区域的个性化和定制化治疗，但尚需开展更深入、更全面研究，以探讨并建立更为科学有效的TPMS骨支架选择标准，从而为其在骨科临床实践中的应用提供更可靠的支持和指导。未来的研究应聚焦于多学科协作、生物功能化、临床研究和新技术应用，以实现更好的治疗效果。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点和报道
作者贡献声明 孙亚迪：综述构思、设计以及文章撰写、修改；马剑雄、王岩、马信龙：提出综述撰写方向及修改意见；周丽芸、李奕扬、申佳慧、董本超、杨培川、李岩：文献资料收集