引用本文： 孙亚迪, 王岩, 周丽芸, 李奕扬, 申佳慧, 董本超, 杨培川, 李岩, 马剑雄, 马信龙. 不同单胞结构设计骨支架的研究进展. 中国修复重建外科杂志, 2023, 37(8): 1037-1041. doi: 10.7507/1002-1892.202303130 复制
股骨头坏死（osteoarthritis of the femoral head，ONFH）是一类致残率较高的常见疾病，据统计我国ONFH患者有750～1 000万，每年新增患者高达约30万，是骨科领域非常棘手的难题之一[1-2]。由于此类疾病发病机制复杂，对其认识仍有待进一步深入，目前尚未找到理想治愈方法。其治疗手段通常为手术治疗和非手术治疗两种[3]，其中非手术治疗多采用保守治疗方法，包括多样化的药物或物理化学疗法，药物可减轻疼痛、改善功能、延缓病程[4]，物理化学疗法可改善血液循环，预防股骨头塌陷[5]。然而，这些方法均未被高水平证据证明有效，而且大多数都存在不良反应，非手术治疗疗效不稳定且不能阻止股骨头进一步塌陷[6]。ONFH的手术治疗方法众多，包括人工全髋关节置换术、髓芯减压术、植骨填充和支撑、血管化骨移植等，部分复杂手术可能难以达到预期效果，且创伤大、恢复时间长、并发症多[7]。因此，寻求一种既高效又安全的治疗方法，已成为当前ONFH治疗领域的研究热点。
在早期ONFH多种保髋治疗方法中，于塌陷骨组织部位植入骨支架以恢复髋关节功能是常用方法[8]。骨支架可以提供力学支撑，其孔隙结构可以为骨细胞提供生长空间，促进骨骼生长、骨整合，并允许与周围组织进行充分的废物和营养交换[9]。骨组织异质性使得相应支架结构具有不同承载和材料运输能力，从而对组织再生过程产生深刻影响，不同骨支架结构特征对人体原生骨组织内部的力学和生物学性能起着关键作用[10]。单胞是构成骨支架的最小结构单元，骨支架的单胞结构可分为规则单胞结构、不规则单胞结构、基于拓扑优化理论设计的单胞结构以及基于三周期极小曲面（triply periodic minimal surface，TPMS）设计的单胞结构。本文拟从不同单胞结构设计骨支架的角度出发，深入探讨和分析不同单胞结构的骨支架特点。
1 骨支架单胞结构设计
1.1 规则单胞结构
早期骨支架设计采用规则单胞（如球体、立方体、圆柱体）作为基本造孔单元，利用计算机辅助设计和布尔运算在支架内构建多孔结构。这些规则结构具有设计简单、可预测机械性能和可控制孔隙率等优点。孙海波等[11]利用3种结构，体心立方体（body-centered cubic，BCC）、面心立方体（face-centered cubic，FCC）和垂直实体，构建了具有不同孔隙率和结构的多孔支架。他们利用有限元分析发现，具有90%孔隙率和BCC结构的支架弹性模量为7.5 GPa，抗压强度为11.62 MPa，符合松质骨的力学要求，适用于作为松质骨植入物；孔隙率为80%的FCC结构支架弹性模量为18.9 GPa，抗压强度为127.01 MPa，符合皮质骨力学要求，适用于作为皮质骨植入物；由于结构问题，垂直实体结构的支架不适用作为骨植入物。Moarrefzadeh等[12]用晶格立方、菱形十二面体和八面体构建了骨支架的微观结构，有限元分析研究表明，与八面体和菱形十二面体支架相比，晶格立方支架具有最高的抗压强度和机械性能。Xu等[13]对圆柱形和球形两种形状的骨支架进行比较研究，结果显示与球形孔隙支架相比，圆柱形孔隙支架具有更高机械强度、抗扭刚度、流体渗透性和更好应力分布。Prochor等[14]用有限元方法评估了5种孔的几何形状（三角棱柱、立方体、八角棱柱、球体和圆角三角棱柱）和7种孔隙率（高达80%）对支架功能两个方面（即灌注生物反应器中的细胞培养效率和植入后的成骨细胞扩散）的影响。他们发现，低孔隙率的立方体、八角棱柱和球体孔隙符合生物反应器中流体速度和壁面剪切应力的要求，而球体孔隙在孔隙率达30%时具有最高的细胞扩散效率。对于更高的孔隙率，八角棱柱的孔隙率最高可达 80%。Deng等[15]制备了4种具有类似孔隙率和孔隙大小但形状不同的骨支架，他们将这些支架植入兔股骨远端，并分析术后6、12周骨生长情况。结果显示，在这4种结构中，钻石晶格单元支架的骨质生长最好，并且该骨支架具有最小内部流体速度差和最长流体流动轨迹，有利于血管生长、营养物质运输和骨形成。Vu等[16]制造了具有不同外部形状的圆柱形骨支架，包括垂直脊、水平螺旋脊和圆柱形凸起。通过测试这些支架的力学性能和体外成骨细胞增殖能力发现，相比于密实的圆柱形支架，复杂的表面形状可以提高支架30%抗压强度和近2倍细胞增殖。实验证明通过改变骨支架宏观层面的表面形态，可以增加表面积来促进更好的生物反应，而不损害力学性能。
以相对简单规则的单胞作为基本结构单元构建骨支架内部多孔结构，因孔隙单元形状和结构局限，常与人体原生骨的多孔结构之间存在边界融合问题，可能会对细胞生存、增殖、转移及新陈代谢带来一定影响，不利于骨支架植入后患者康复。
1.2 不规则单胞结构
目前大多数组织支架的设计方法是基于规则单胞结构，然而骨组织的微观结构是非常复杂且非均质的，也具有特定的各向异性。因此，不规则设计对于骨支架设计至关重要[17]。
为了获得满足治疗效果的支架，研究人员开展了不规则多孔结构的研究。Rodríguez-Montaño等[18]将负载自适应算法与力学生物学算法相结合，设计了一种具有不规则单胞结构的骨支架。该研究采用3种不同加载条件和边界来评估不规则和规则单胞结构支架之间的骨形成，结果发现不规则单胞结构支架在新骨形成量方面优于规则支架。Zhao等[19]采用参数化设计多孔支架，提出了一种基于泰森多边形的改进方法，可通过控制种子点分布来实现不同孔隙分布，使支架孔隙的数量和大小呈梯度变化，并且与天然骨的孔隙结构相似。结果表明，在相同孔隙率下，屈服强度和弹性模量随种子点数量增加而明显增加。然而，对于具有相同数量种子点的结构，抗压屈服强度和弹性模量随孔隙率增加而下降。Fallah等[20]同样基于泰森多边形建立了骨支架并通过流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）模拟，研究结果表明随着孔径增加，进入支架的流体显著增加，支架周围流动减少；同时，液体通过支架的平均流速随支架孔径增加而增加。Li等[21]使用基于比例因子的算法设计泰森多边形结构骨支架，计算CFD表明，孔径800 μm支架的壁面剪切应力最高；此外，MC3T3细胞动态接种后，在孔径800 μm支架上分布更均匀。体内实验中将支架褶皱植入兔股骨以分析骨支架降解和成骨作用，组织学和影像学检查示，与孔径600、1 000、1 200 μm支架相比，孔径800 μm支架表面和内部的新骨形成更为丰富，是骨支架的最佳选择。
不规则单胞结构骨支架具有随机分布和不同形状的孔隙，使得其渗透性和应力分布方面表现更好。虽然目前对于骨支架的研究很多，但对不规则单胞结构骨支架的研究比较有限[17]。泰森多边形结构的骨支架设计复杂，制造难度大，因此成本较高；并且内部复杂的多孔结构可控性差，表面粗糙度较大，可能会导致细胞黏附不良。
1.3 基于拓扑优化理论设计的单胞结构
拓扑优化是一种可在特殊载荷和边界条件下，根据目标函数提供更有效材料分布的技术，其目的是减轻质量或减少植入物的不匹配机械性能引起的应力屏蔽，以及确定重新设计的带孔植入物能否为骨细胞生长提供空间，越来越多研究正在建立新方法，通过拓扑优化技术获得更好的植入物[22]。
Vilardell等[23]采用拓扑优化方法设计了刚度和密度接近人体骨骼的3种超低间隙钛合金支架结构，体积密度分别为35%、40%和45%，相应的弹性模量为18.6、23.1、27.4 GPa，采用激光粉末床熔融技术制造试样。结果表明，设计的晶格结构具有人体骨骼的刚度水平，因此可减少植入物应用中的应力屏蔽。Wu等[24]提出了一种基于时间依赖性机械生物学的拓扑优化方法用于支架设计，从而开发一个持续的有利微环境并确保骨再生。作者将实验结果与基于刚度的拓扑优化、时间无关设计和典型支架结构的结果进行比较，在持续骨向内生长结果方面显示出显著优势。Xiao等[25]将增材制造和拓扑优化相结合，设计了FCC、顶点立方体（vertex cube，VC）和边心立方体（edge-center cube，ECC）结构，随后通过选择性激光熔化（selective laser melting，SLM）技术进行制作。机械性能评估结果表明，与ECC晶格结构相比，FCC和VC晶格结构具有更好的机械行为，但它们的能量吸收效率不如ECC晶格结构。通过对316L不锈钢制成的各种SLM建造晶格结构进行比较，证明了拓扑优化晶格结构的性能优于大多数晶格结构。Xu等[26]将拓扑优化方法用于设计具有不同相对密度（0.10～0.30）的单胞结构，随后采用Ti1Al2V合金粉末以SLM技术制备了一系列具有不同相对密度的均匀晶格结构和功能梯度晶格结构。力学性能、失效机制、能量吸收能力和性能预测结果表明，设计的晶格结构具有与天然骨骼相当的机械性能。
拓扑优化为获得高孔隙率、高渗透率的骨支架结构提供了设计方向。拓扑优化与增材制造技术结合可以为骨科植入物和骨组织工程提供高效个性化的解决方案。但目前大多数研究中，骨支架都是以同质机械性能来简化的，这与天然骨组织不一致，探索异质机械性能是未来研究趋势。根据特定的孔隙率和部位，应当针对不同要求设计合适的植入物，以满足特定功能需求[22]。
1.4 基于TPMS设计的单胞结构
由于具有良好渗透性和易于促进骨骼生长及重建的特点，TPMS结构获得了骨支架设计研究者的关注，成为近年设计多孔骨支架的有效方法[27]。采用周期性隐式曲面作为孔隙单元，可以生成各种孔隙模型，与其他基于网格的晶格结构相比，TPMS 结构是具有较低水平应力集中的周期性几何结构[28]。
Belda等[10]设计了8种不同体积分数的TPMS结构，考虑了6个孔隙率水平，并对其形态学进行表征，通过数值均质化得出了每种结构的刚度矩阵，并通过统计分析将其与形态学相关联；结果表明，TPMS结构具有正交异性力学行为。通过调整体积分数，可以根据需要选择体积分数在0.2%～70%范围内的骨支架，从而匹配TPMS的机械特性。这一研究旨在探索TPMS结构的形态学与力学性能之间的关系，以便为患者在不同部位选择合适的TPMS结构和几何形状。
Sun等[29]研究了3种TPMS结构骨支架的力学性能和变形机制，进行了准静态单轴压缩试验，压缩机械性能与TPMS结构骨支架的相对密度有近似正相关关系；此外，还进行了压缩过程的有限元分析，以分析和理解TPMS结构骨支架的变形机制。结果表明，TPMS结构骨支架的能量吸收能力随实际相对密度的增加而增加。Jia等[30]研究了基于TPMS结构骨支架的压缩响应，其中包括非均匀壳厚度，通过压缩试验和有限元分析对比了原始结构和增强结构之间的差异。结果表明，增强结构比原始结构具有更高的相对弹性模量和极限强度。Zhang等[31]引入晶体孪晶来调节TPMS结构骨支架的应力传递路径，从而实现可设计的变形行为。在3D打印后，对G型和D型TPMS结构骨支架的各个方向进行了压缩测试。结果发现，孪晶边界可以通过偏转压缩载荷下的裂纹有效保护支架结构免受破坏，并通过各种结构设计调节变形行为。Santos等[32]通过实验分析了3D打印TPMS结构骨支架的渗透性，发现与其他多孔结构相比，TPMS结构渗透性更高。Ali等[33]利用CFD分析了支架内的流体流动，结果表明支架的渗透性由其结构决定，通道尺寸的任何变化都会降低渗透性。Zhu等[34]利用P型TPMS设计多孔支架，并根据固定载荷下的应力分布优化厚度，以调整机械和生物学性能。压缩试验显示优化后支架的机械性能明显改善。使用CFD分析在层流条件下的渗透性，结果显示由于内表面更粗糙，优化后支架渗透性更低。这种方法可以有效调整多孔支架的机械性能和渗透性。Asbai-Ghoudan等[35]利用CFD计算了3种TPMS结构骨支架的渗透性，结果表明渗透性随孔隙率以不同速率增加，突出了孔隙分布和结构的重要性。
TPMS骨支架在空间中呈现周期性变化且具有光滑全连通等特点，结构内部呈弯曲孔道，有利于骨细胞附着与迁移，提高细胞生存率[36]。通过曲面公式参数设置多孔支架的孔隙大小、孔隙率等参数，不仅对骨长入效果有影响，对宿主环境下的生物力学性能也有着重要影响。
2 总结
在骨支架设计领域，力学性能和生物学性能都是至关重要的因素。骨支架的力学性能直接影响其承载能力和稳定性，而生物学性能则关乎其与宿主骨组织的相容性和生物活性。目前不同类型的骨支架结构中，规则单胞结构骨支架制作简单且易于控制，但其边缘常呈尖锐形状，导致无法与人体原生骨紧密结合。不规则单胞结构能够对孔隙大小进行精确控制，但其内部结构的均匀性仍然存在挑战。这些结构的设计需要综合考虑骨支架的力学特性和患者具体需求。近年来，基于拓扑优化方法构建的骨支架在机械应用场景中取得了一定成功。然而，将这种方法应用于流体应用场景的拓扑优化则变得极其困难。在这方面，TPMS成为创建具有可控内部微观结构多孔材料的最佳选择。TPMS能够生成具有规则几何形态和均匀分布孔隙的骨支架结构，其内部微观结构与天然骨组织相似，具有良好的生物相容性和生物力学性能[37]。
尽管在骨支架设计领域已取得一定研究进展，未来仍面临许多挑战。研究骨支架的多孔结构需要综合考虑多种因素，不同部位对骨支架的力学性能有不同要求。其目标是实现在骨支架和宿主骨之间建立最佳生物固定界面方案，同时减轻二者之间的应力屏蔽效应。选择支架材料时，考虑到生物相容性尤为重要，应以提高与患者病变部位的兼容性并促进骨组织生长为依据进行选择。构建与天然骨组织相似的骨支架具有重要意义，特别是在个性化医疗背景下的骨支架设计和制作过程中。
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：论文撰写及修改；马剑雄、王岩、马信龙：提出综述撰写方向并提出修改意见：周丽芸、李奕扬、申佳慧、董本超、杨培川、李岩：文献资料收集、整理
股骨头坏死（osteoarthritis of the femoral head，ONFH）是一类致残率较高的常见疾病，据统计我国ONFH患者有750～1 000万，每年新增患者高达约30万，是骨科领域非常棘手的难题之一[1-2]。由于此类疾病发病机制复杂，对其认识仍有待进一步深入，目前尚未找到理想治愈方法。其治疗手段通常为手术治疗和非手术治疗两种[3]，其中非手术治疗多采用保守治疗方法，包括多样化的药物或物理化学疗法，药物可减轻疼痛、改善功能、延缓病程[4]，物理化学疗法可改善血液循环，预防股骨头塌陷[5]。然而，这些方法均未被高水平证据证明有效，而且大多数都存在不良反应，非手术治疗疗效不稳定且不能阻止股骨头进一步塌陷[6]。ONFH的手术治疗方法众多，包括人工全髋关节置换术、髓芯减压术、植骨填充和支撑、血管化骨移植等，部分复杂手术可能难以达到预期效果，且创伤大、恢复时间长、并发症多[7]。因此，寻求一种既高效又安全的治疗方法，已成为当前ONFH治疗领域的研究热点。
在早期ONFH多种保髋治疗方法中，于塌陷骨组织部位植入骨支架以恢复髋关节功能是常用方法[8]。骨支架可以提供力学支撑，其孔隙结构可以为骨细胞提供生长空间，促进骨骼生长、骨整合，并允许与周围组织进行充分的废物和营养交换[9]。骨组织异质性使得相应支架结构具有不同承载和材料运输能力，从而对组织再生过程产生深刻影响，不同骨支架结构特征对人体原生骨组织内部的力学和生物学性能起着关键作用[10]。单胞是构成骨支架的最小结构单元，骨支架的单胞结构可分为规则单胞结构、不规则单胞结构、基于拓扑优化理论设计的单胞结构以及基于三周期极小曲面（triply periodic minimal surface，TPMS）设计的单胞结构。本文拟从不同单胞结构设计骨支架的角度出发，深入探讨和分析不同单胞结构的骨支架特点。
1 骨支架单胞结构设计
1.1 规则单胞结构
早期骨支架设计采用规则单胞（如球体、立方体、圆柱体）作为基本造孔单元，利用计算机辅助设计和布尔运算在支架内构建多孔结构。这些规则结构具有设计简单、可预测机械性能和可控制孔隙率等优点。孙海波等[11]利用3种结构，体心立方体（body-centered cubic，BCC）、面心立方体（face-centered cubic，FCC）和垂直实体，构建了具有不同孔隙率和结构的多孔支架。他们利用有限元分析发现，具有90%孔隙率和BCC结构的支架弹性模量为7.5 GPa，抗压强度为11.62 MPa，符合松质骨的力学要求，适用于作为松质骨植入物；孔隙率为80%的FCC结构支架弹性模量为18.9 GPa，抗压强度为127.01 MPa，符合皮质骨力学要求，适用于作为皮质骨植入物；由于结构问题，垂直实体结构的支架不适用作为骨植入物。Moarrefzadeh等[12]用晶格立方、菱形十二面体和八面体构建了骨支架的微观结构，有限元分析研究表明，与八面体和菱形十二面体支架相比，晶格立方支架具有最高的抗压强度和机械性能。Xu等[13]对圆柱形和球形两种形状的骨支架进行比较研究，结果显示与球形孔隙支架相比，圆柱形孔隙支架具有更高机械强度、抗扭刚度、流体渗透性和更好应力分布。Prochor等[14]用有限元方法评估了5种孔的几何形状（三角棱柱、立方体、八角棱柱、球体和圆角三角棱柱）和7种孔隙率（高达80%）对支架功能两个方面（即灌注生物反应器中的细胞培养效率和植入后的成骨细胞扩散）的影响。他们发现，低孔隙率的立方体、八角棱柱和球体孔隙符合生物反应器中流体速度和壁面剪切应力的要求，而球体孔隙在孔隙率达30%时具有最高的细胞扩散效率。对于更高的孔隙率，八角棱柱的孔隙率最高可达 80%。Deng等[15]制备了4种具有类似孔隙率和孔隙大小但形状不同的骨支架，他们将这些支架植入兔股骨远端，并分析术后6、12周骨生长情况。结果显示，在这4种结构中，钻石晶格单元支架的骨质生长最好，并且该骨支架具有最小内部流体速度差和最长流体流动轨迹，有利于血管生长、营养物质运输和骨形成。Vu等[16]制造了具有不同外部形状的圆柱形骨支架，包括垂直脊、水平螺旋脊和圆柱形凸起。通过测试这些支架的力学性能和体外成骨细胞增殖能力发现，相比于密实的圆柱形支架，复杂的表面形状可以提高支架30%抗压强度和近2倍细胞增殖。实验证明通过改变骨支架宏观层面的表面形态，可以增加表面积来促进更好的生物反应，而不损害力学性能。
以相对简单规则的单胞作为基本结构单元构建骨支架内部多孔结构，因孔隙单元形状和结构局限，常与人体原生骨的多孔结构之间存在边界融合问题，可能会对细胞生存、增殖、转移及新陈代谢带来一定影响，不利于骨支架植入后患者康复。
1.2 不规则单胞结构
目前大多数组织支架的设计方法是基于规则单胞结构，然而骨组织的微观结构是非常复杂且非均质的，也具有特定的各向异性。因此，不规则设计对于骨支架设计至关重要[17]。
为了获得满足治疗效果的支架，研究人员开展了不规则多孔结构的研究。Rodríguez-Montaño等[18]将负载自适应算法与力学生物学算法相结合，设计了一种具有不规则单胞结构的骨支架。该研究采用3种不同加载条件和边界来评估不规则和规则单胞结构支架之间的骨形成，结果发现不规则单胞结构支架在新骨形成量方面优于规则支架。Zhao等[19]采用参数化设计多孔支架，提出了一种基于泰森多边形的改进方法，可通过控制种子点分布来实现不同孔隙分布，使支架孔隙的数量和大小呈梯度变化，并且与天然骨的孔隙结构相似。结果表明，在相同孔隙率下，屈服强度和弹性模量随种子点数量增加而明显增加。然而，对于具有相同数量种子点的结构，抗压屈服强度和弹性模量随孔隙率增加而下降。Fallah等[20]同样基于泰森多边形建立了骨支架并通过流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）模拟，研究结果表明随着孔径增加，进入支架的流体显著增加，支架周围流动减少；同时，液体通过支架的平均流速随支架孔径增加而增加。Li等[21]使用基于比例因子的算法设计泰森多边形结构骨支架，计算CFD表明，孔径800 μm支架的壁面剪切应力最高；此外，MC3T3细胞动态接种后，在孔径800 μm支架上分布更均匀。体内实验中将支架褶皱植入兔股骨以分析骨支架降解和成骨作用，组织学和影像学检查示，与孔径600、1 000、1 200 μm支架相比，孔径800 μm支架表面和内部的新骨形成更为丰富，是骨支架的最佳选择。
不规则单胞结构骨支架具有随机分布和不同形状的孔隙，使得其渗透性和应力分布方面表现更好。虽然目前对于骨支架的研究很多，但对不规则单胞结构骨支架的研究比较有限[17]。泰森多边形结构的骨支架设计复杂，制造难度大，因此成本较高；并且内部复杂的多孔结构可控性差，表面粗糙度较大，可能会导致细胞黏附不良。
1.3 基于拓扑优化理论设计的单胞结构
拓扑优化是一种可在特殊载荷和边界条件下，根据目标函数提供更有效材料分布的技术，其目的是减轻质量或减少植入物的不匹配机械性能引起的应力屏蔽，以及确定重新设计的带孔植入物能否为骨细胞生长提供空间，越来越多研究正在建立新方法，通过拓扑优化技术获得更好的植入物[22]。
Vilardell等[23]采用拓扑优化方法设计了刚度和密度接近人体骨骼的3种超低间隙钛合金支架结构，体积密度分别为35%、40%和45%，相应的弹性模量为18.6、23.1、27.4 GPa，采用激光粉末床熔融技术制造试样。结果表明，设计的晶格结构具有人体骨骼的刚度水平，因此可减少植入物应用中的应力屏蔽。Wu等[24]提出了一种基于时间依赖性机械生物学的拓扑优化方法用于支架设计，从而开发一个持续的有利微环境并确保骨再生。作者将实验结果与基于刚度的拓扑优化、时间无关设计和典型支架结构的结果进行比较，在持续骨向内生长结果方面显示出显著优势。Xiao等[25]将增材制造和拓扑优化相结合，设计了FCC、顶点立方体（vertex cube，VC）和边心立方体（edge-center cube，ECC）结构，随后通过选择性激光熔化（selective laser melting，SLM）技术进行制作。机械性能评估结果表明，与ECC晶格结构相比，FCC和VC晶格结构具有更好的机械行为，但它们的能量吸收效率不如ECC晶格结构。通过对316L不锈钢制成的各种SLM建造晶格结构进行比较，证明了拓扑优化晶格结构的性能优于大多数晶格结构。Xu等[26]将拓扑优化方法用于设计具有不同相对密度（0.10～0.30）的单胞结构，随后采用Ti1Al2V合金粉末以SLM技术制备了一系列具有不同相对密度的均匀晶格结构和功能梯度晶格结构。力学性能、失效机制、能量吸收能力和性能预测结果表明，设计的晶格结构具有与天然骨骼相当的机械性能。
拓扑优化为获得高孔隙率、高渗透率的骨支架结构提供了设计方向。拓扑优化与增材制造技术结合可以为骨科植入物和骨组织工程提供高效个性化的解决方案。但目前大多数研究中，骨支架都是以同质机械性能来简化的，这与天然骨组织不一致，探索异质机械性能是未来研究趋势。根据特定的孔隙率和部位，应当针对不同要求设计合适的植入物，以满足特定功能需求[22]。
1.4 基于TPMS设计的单胞结构
由于具有良好渗透性和易于促进骨骼生长及重建的特点，TPMS结构获得了骨支架设计研究者的关注，成为近年设计多孔骨支架的有效方法[27]。采用周期性隐式曲面作为孔隙单元，可以生成各种孔隙模型，与其他基于网格的晶格结构相比，TPMS 结构是具有较低水平应力集中的周期性几何结构[28]。
Belda等[10]设计了8种不同体积分数的TPMS结构，考虑了6个孔隙率水平，并对其形态学进行表征，通过数值均质化得出了每种结构的刚度矩阵，并通过统计分析将其与形态学相关联；结果表明，TPMS结构具有正交异性力学行为。通过调整体积分数，可以根据需要选择体积分数在0.2%～70%范围内的骨支架，从而匹配TPMS的机械特性。这一研究旨在探索TPMS结构的形态学与力学性能之间的关系，以便为患者在不同部位选择合适的TPMS结构和几何形状。
Sun等[29]研究了3种TPMS结构骨支架的力学性能和变形机制，进行了准静态单轴压缩试验，压缩机械性能与TPMS结构骨支架的相对密度有近似正相关关系；此外，还进行了压缩过程的有限元分析，以分析和理解TPMS结构骨支架的变形机制。结果表明，TPMS结构骨支架的能量吸收能力随实际相对密度的增加而增加。Jia等[30]研究了基于TPMS结构骨支架的压缩响应，其中包括非均匀壳厚度，通过压缩试验和有限元分析对比了原始结构和增强结构之间的差异。结果表明，增强结构比原始结构具有更高的相对弹性模量和极限强度。Zhang等[31]引入晶体孪晶来调节TPMS结构骨支架的应力传递路径，从而实现可设计的变形行为。在3D打印后，对G型和D型TPMS结构骨支架的各个方向进行了压缩测试。结果发现，孪晶边界可以通过偏转压缩载荷下的裂纹有效保护支架结构免受破坏，并通过各种结构设计调节变形行为。Santos等[32]通过实验分析了3D打印TPMS结构骨支架的渗透性，发现与其他多孔结构相比，TPMS结构渗透性更高。Ali等[33]利用CFD分析了支架内的流体流动，结果表明支架的渗透性由其结构决定，通道尺寸的任何变化都会降低渗透性。Zhu等[34]利用P型TPMS设计多孔支架，并根据固定载荷下的应力分布优化厚度，以调整机械和生物学性能。压缩试验显示优化后支架的机械性能明显改善。使用CFD分析在层流条件下的渗透性，结果显示由于内表面更粗糙，优化后支架渗透性更低。这种方法可以有效调整多孔支架的机械性能和渗透性。Asbai-Ghoudan等[35]利用CFD计算了3种TPMS结构骨支架的渗透性，结果表明渗透性随孔隙率以不同速率增加，突出了孔隙分布和结构的重要性。
TPMS骨支架在空间中呈现周期性变化且具有光滑全连通等特点，结构内部呈弯曲孔道，有利于骨细胞附着与迁移，提高细胞生存率[36]。通过曲面公式参数设置多孔支架的孔隙大小、孔隙率等参数，不仅对骨长入效果有影响，对宿主环境下的生物力学性能也有着重要影响。
2 总结
在骨支架设计领域，力学性能和生物学性能都是至关重要的因素。骨支架的力学性能直接影响其承载能力和稳定性，而生物学性能则关乎其与宿主骨组织的相容性和生物活性。目前不同类型的骨支架结构中，规则单胞结构骨支架制作简单且易于控制，但其边缘常呈尖锐形状，导致无法与人体原生骨紧密结合。不规则单胞结构能够对孔隙大小进行精确控制，但其内部结构的均匀性仍然存在挑战。这些结构的设计需要综合考虑骨支架的力学特性和患者具体需求。近年来，基于拓扑优化方法构建的骨支架在机械应用场景中取得了一定成功。然而，将这种方法应用于流体应用场景的拓扑优化则变得极其困难。在这方面，TPMS成为创建具有可控内部微观结构多孔材料的最佳选择。TPMS能够生成具有规则几何形态和均匀分布孔隙的骨支架结构，其内部微观结构与天然骨组织相似，具有良好的生物相容性和生物力学性能[37]。
尽管在骨支架设计领域已取得一定研究进展，未来仍面临许多挑战。研究骨支架的多孔结构需要综合考虑多种因素，不同部位对骨支架的力学性能有不同要求。其目标是实现在骨支架和宿主骨之间建立最佳生物固定界面方案，同时减轻二者之间的应力屏蔽效应。选择支架材料时，考虑到生物相容性尤为重要，应以提高与患者病变部位的兼容性并促进骨组织生长为依据进行选择。构建与天然骨组织相似的骨支架具有重要意义，特别是在个性化医疗背景下的骨支架设计和制作过程中。
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：论文撰写及修改；马剑雄、王岩、马信龙：提出综述撰写方向并提出修改意见：周丽芸、李奕扬、申佳慧、董本超、杨培川、李岩：文献资料收集、整理