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近年来，能够促进细胞生长的多孔结构和具有出色的机械性能的骨修复支架受到了研究人员的广泛关注。然而，目前利用传统材料如不锈钢粉末制备的骨组织工程支架存在大尺度、低精度的缺点。此外，由于3D打印制备技术的限制，对于制造能够满足人骨微米精度要求的组织工程支架仍然存在挑战。因此，如何采用新型设计结构并利用先进打印技术制备具有优异稳定机械性能和出色生物功能的骨支架对骨损伤的治疗具有重要意义。 对此，复合材料Top期刊《Composites Science and Technology》发表了西北工业大学航空学院研究团队探究用于骨组织修复的极小曲面骨支架的机械性能和生物功能相关研究工作，博士研究生董志城、硕士研究生曹尔泰为共同第一作者，西安交通大学赵鑫副教授、西工大黄河源副研究员为共同通讯作者。  如图1所示，通过将三重周期极小曲面（TPMS）结构赋予陶瓷基骨支架并结合纳米粒子喷射（NPJ）3D打印技术，开发出了具有良好机械性能和生物功能的陶瓷基极小曲面骨支架，以作为治疗骨缺陷的优秀潜在支架。研究首先设计了两种符合人体骨骼微观特征的TPMS骨支架以及一种作为对照传统多孔结构支架。随后，基于NPJ技术，通过喷射粘合悬浮的氧化锆纳米颗粒成功制备了具有微米尺度的TPMS氧化锆陶瓷基骨支架。试验结果表明，所制备的支架TPMS-C展现出优异的抗压缩强度（56.60 MPa）、抗冲击强度（70.24 MPa）以及良好的细胞相容性，优于其余由不同材料和结构组成的骨支架（图2）。  图1 极小曲面骨支架的设计制备与性能测试  图2 不同骨支架的比强度和比能量吸收对比图 作为承载骨支架最基本的特性之一，对所有尺寸为5mm×5mm×5mm的试样进行了在恒定加载速度为1 mm/min下的准静态压缩力学响应试验。从图3可以看出，TPMS-C的机械性能最佳，其抗压强度和杨氏模量分别比Normal-A高出19.23%和12.02%，与两种人体松质骨（2.05 GPa）保持一致。此外，在压缩过程中，TPMS-B和TPMS-C的应力-应变曲线在整个压缩过程中更加平滑。TPMS支架的载荷-位移曲线在加载初期呈线性上升，但在接近极限载荷时呈现非线性现象，因为TPMS的损伤是一个逐渐破碎的过程。  图3 骨支架准静态压缩试验结果 探究骨支架对低速冲击的响应表征对开发支架在日常生活的实际应用具有重要意义。在此，使用霍普金森杆试验对三种不同支架的低速冲击响应进行了测试。在所有骨支架中，TPMS-C的冲击极限应力最高，为70.24 MPa，比Normal-A高14.27%。在冲击的初始阶段，三种骨支架都存在线性弹性变形，而在后期出现了由单元胞连接的圆弧处的主裂缝引起的非线性变形。在冲击加载过程中，主裂缝扩展，同时连续损伤不断积累。损伤的演化使应力增长率逐渐减小，对支架的强度和刚度产生明显的削弱效应。因此，随着支架接近应力峰值，冲击曲线逐渐变平，表明氧化锆TPMS具有出色的抗冲击性能。  图4 骨支架动态抗冲击试验结果 最后，通过体外实验评估了三种骨支架在促进成骨细胞增殖和成骨分化方面的性能。所有三种支架都能很好地支持细胞黏附和扩展。大多数细胞呈绿色（活细胞），只有少数由细胞正常凋亡导致的死细胞出现。培养一天后，所有支架表现出相似的细胞活性。当培养七天后，所有支架的细胞增殖能力均显着增强，超过了第一天的水平，TPMS-C的细胞增殖与Normal-A相当，但高于TPMS-B。此外，氧化锆可以通过刺激成骨基因的表达来促进骨活性，从而有助于提高成骨细胞的分化能力。总之，具有TPMS结构的氧化锆骨支架是一种有望用于骨缺陷修复的有潜力的支架。  图5 骨支架体外生物功能试验结果 该研究设计并使用先进的纳米粒子喷射3D打印技术制备了可用于骨组织修复的具有微米尺度的氧化锆极小曲骨支架，成功使支架在保持与人体骨骼精度一致的同时抗压缩和抗冲击性能得到显着提升。随后，该研究探讨了骨支架在准静态压缩载荷和动态冲击载荷作用下的力学行为响应模式，并利用有限元模型模拟了不同骨支架应力场分布和承载特性。最后，生物实验表明，TPMS骨支架具有良好的细胞相容性，并且可以通过上调参与成骨分化的基因来促进成骨细胞的成骨分化。因此，TPMS骨支架可以作为一种出色的骨缺陷修复候选材料，其具有促进细胞成骨分化能力以及针对骨骼在日常活动中的高抗压缩和抗冲击性能。 原始文献: Cao E, Dong Z, Zhang X, Zhao Z, Zhao X, Huang H. Mechanical properties and failure analysis of 3D-printing micron-scale ceramic-based triply periodic minimal surface scaffolds under quasi-static-compression and low-speed impact loads. Composites Science and Technology. 2023:110248. 原文链接: https:///10.1016/j.compscitech.2023.110248 https://www./science/article/pii/S0266353823003421
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