西工大蘇海軍團隊醫工交叉：梯度孔徑分布結構優化，協同提升3D打印雙相磷酸鈣支架力學與生物學性能

1成果介紹

近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊聯合西安市紅會醫院創傷骨科綜合病區王鵬飛主任團隊，在生物陶瓷骨修復領域取得重要進展。團隊采用光固化3D打印技術，成功制備出徑向梯度孔徑雙相磷酸鈣(BCP)多孔支架，系統揭示了梯度孔徑結構對支架力學性能、生物降解及骨再生行為的調控機制，為臨床骨缺損修復提供了全新設計策略。相關成果以“Effects of graded pore size distribution structure on enhancing mechanical and biological properties of 3D printed biphase calcium phosphate scaffolds”為題，發表于陶瓷領域權威期刊《Ceramics International》。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.02.013

2背景介紹

雙相磷酸鈣(BCP)因成分接近天然骨的無機成分，兼具羥基磷灰石(HA)的骨傳導性與β-磷酸三鈣(β-TCP)的生物降解性，成為骨組織工程支架的優選材料。支架孔隙結構是決定骨再生效果的核心因素，孔徑過小不利于血管化與骨組織再生，過大則降低力學強度、影響細胞黏附，而傳統均勻孔徑設計難以兼顧力學性能與生物活性。天然骨呈徑向梯度孔隙特征，外層致密、內層疏松，可同步實現力學支撐與組織生長，為支架結構優化提供重要仿生思路。3D打印技術能精準調控支架宏觀形貌與內部孔結構，其中光固化成型(VPP)精度高、表面質量好等優勢，可實現復雜梯度孔隙的可控制備，為孔徑分布優化提供技術支撐。目前，梯度孔隙設計多聚焦于力學性能提升，針對BCP生物陶瓷支架梯度孔徑分布對力學、降解、細胞增殖及免疫調控的協同影響研究不足，徑向寬幅梯度孔徑的最優參數尚未明確，限制了仿生骨支架的臨床轉化應用。因此，系統研究徑向梯度孔結構對BCP生物陶瓷支架力學性能與骨再生效應的調控機制，對于發展骨修復支架孔隙結構的優化策略、提升骨缺損修復植入物的臨床應用潛力具有重要意義。

3圖文解析

使用ANSYS有限元軟件模擬設計的孔徑梯度多孔結構在外力作用下的Von-Mises應力分布和總形變，以評估其力學性能。如圖1所示，P600上表面的應力分布均勻，最大應力為66.09 MPa。然而，對于具有梯度孔徑分布的結構，頂部的應力分布并不均勻。對于孔徑梯度分布較寬的結構，中心區域的應力較低，而外部區域的應力較高。隨著孔徑增大，結構的最大應力從87.705 MPa降至63.412 MPa。

圖1 梯度多孔結構Von-Mises應力分布

如圖2所示，P600結構的形變最大且分布均勻，梯度多孔結構的頂部形變呈梯度分布，由外至中心逐漸減小。相同孔隙率下，孔徑梯度分布窄的結構最大形變更小，形變變化趨勢與Von Mises應力一致。孔徑梯度分布寬的結構上層形變均勻性更差，最外圈形變量高于P600及梯度分布窄的結構，且P600-800、P700-900的最大形變量均小于P600。

圖2 梯度多孔結構總形變

基于有限元模擬結果，采用SLA 3D打印技術制備了P600、P700-900和P500-900三種結構的BCP生物陶瓷多孔支架，如圖3所示。在同樣的脫脂和燒結步驟處理后，三種BCP生物陶瓷多孔支架中的微孔分布和孔徑沒有明顯區別，晶粒尺寸也沒有明顯變化。

圖3 孔徑梯度分布BCP生物陶瓷支架光鏡和SEM照片

圖4為P600、P700-900和P500-900生物陶瓷支架在壓縮載荷作用下的應力-應變曲線和抗壓強度。P600生物陶瓷支架抗壓強度最低，為4.00±0.31 MPa，P500-900生物陶瓷支架抗壓強度最高，為5.56±0.44 MPa。制備的三種不同多孔結構的BCP生物陶瓷支架的抗壓強度都與人體松質骨的強度相當。

圖4 P600、P700-900和P500-900生物陶瓷多孔支架抗壓強度表征：(a)應力-應變曲線；(b)抗壓強度

圖5評估了MC3T3-E1和RAW 264.7細胞在BCP生物陶瓷支架上培養不同時間的增殖和活力。培養1天后，MC3T3-E1細胞均勻分布在P600、P700-900和P500-900支架表面。這些支架表現出極佳的生物相容性，僅觀察到少量紅色熒光。培養5天后，P500-900支架上的細胞密度顯著高于P600和P700-900支架。

圖5 細胞在P600，P700-900和P500-900支架上培養1，3和5天的增殖與活力：(a)MC3T3 E1細胞在培養時間點的OD值；(b)RAW 264.7細胞在培養時間點的OD值；(c)MC3T3-E1細胞在培養時間點活/死染色熒光圖像；(d)RAW 264.7細胞在培養時間點活/死染色熒光圖像(綠色，活細胞；紅色，死細胞)

生物材料誘導巨噬細胞極化在促進組織修復中起著重要作用。圖6為RAW 264.7細胞在BCP生物陶瓷支架上培養3天和7天時，細胞極化和炎癥相關標記分子mRNA的相對表達量。P700-900和P500-900生物陶瓷支架中iNOS和TNF-α mRNA的表達在第3天時較高，P600生物陶瓷支架中培養的細胞iNOS mRNA和Arg-1 mRNA相對表達在第7天時均升高。與P600生物陶瓷支架相比，P700-900和P500-900生物陶瓷支架對RAW 264.7細胞極化的調節更為積極，這種調節有利于誘導骨再生。

圖6 RAW 264.7細胞在P600，P700-900和P500-900 支架上培養3天和7天后巨噬細胞極化和炎癥相關基因表達：(a)iNOS；(b)Arg-1；(c)TNF-α；(d)TGF-β

圖7為BCP生物陶瓷多孔支架植入4周和8周后骨缺損處的Micro-CT重建圖像。所有植入的生物陶瓷支架相對完整，孔隙結構可見。植入4周后，從3D圖像可以觀察到在所有支架的側邊孔隙中均有新的骨組織出現。觀察生物陶瓷支架頂部二維圖像，在所有支架中，新骨組織都從周圍孔隙浸潤到內部孔隙中。相比之下，空白組新生骨體積雖然比較高，但缺損中心區域未形成新生骨。

圖7 體內植入4周和8周時Micro-CT重建3D多孔支架結構和橫切面2D圖像。藍色：多孔支架；黃色：新生骨組織

生物陶瓷支架在植入股骨缺損處4周和8周后，采用H&E染色和Masson染色評價不同多孔結構BCP生物陶瓷支架內新生骨形成情況，如圖8和9所示。從H&E和Masson染色均可以觀察到，所有的生物陶瓷支架與骨組織之間沒有間隙，說明生物陶瓷支架與原有骨組織結合良好。P600生物陶瓷支架的新骨面積變化不明顯，P700-900和P500-900生物陶瓷支架的新骨面積增加。P700-900生物陶瓷支架與原有骨組織接觸區域內的新生骨組織面積增多，但中心區域新骨面積減少。P500-900生物陶瓷支架的新生骨組織比例高于其它幾組。

圖8 H&E染色結果：(a)支架植入4周時的H&E染色圖像；(b)支架植入8周時的H&E染色圖像；(c)支架植入4周時骨缺損區域新生骨的百分比；(d)支架植入8周時骨缺損區域新生骨的百分比。(M代表BCP支架；NB代表新生骨；FT代表纖維組織；藍色箭頭代表成骨細胞；綠色箭頭代表破骨細胞)

圖9 骨組織切片Masson染色圖像和骨缺損區域新生骨百分比定量統計：(a)支架植入4周時的H&E染色圖像；(b)支架植入8周時的Mason染色圖像；(c)支架植入4周時骨缺損區域成熟骨的百分比；(d)支架植入8周時骨缺損區域成熟骨的百分比；(e)植入8周時與植入4周時的支架面積比。(M代表BCP支架；NB代表新生骨；FT代表纖維組織)

4結論與展望

本研究通過VPP技術制備出不同孔徑分布的梯度多孔BCP生物陶瓷支架，系統探究了孔徑分布對支架力學性能、體外生物活性及體內骨再生效果的調控規律。結果表明，梯度多孔設計可在保證支架孔隙度的同時提升機械穩定性，且能加快支架生物降解與磷灰石沉積效率。其中，P500-900梯度多孔支架在調控巨噬細胞極化、促進晚期骨再生方面表現最優，展現出更優異的骨缺損修復生物學特性。因此，梯度孔設計為VPP 3D打印技術制備兼具優異力學性能和生物活性的BCP生物陶瓷多孔支架提供了理論和技術支撐。

5通訊作者簡介

蘇海軍，西北工業大學長聘二級教授、博士生導師。國家級領軍人才，國家優青，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者。入選國家首批“香江學者”計劃、陜西省“青年科技新星”、陜西省冶金青年科技標兵、陜西省金屬學會優秀科技工作者，擔任陜西高校青年創新團隊學術帶頭人、陜西重點科技創新團隊帶頭人和先進高溫合金陜西省高校重點實驗室主任。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究，涉及高溫合金、超高溫復合陶瓷、有機薄膜太陽能電池、生物醫用陶瓷材料，以及定向凝固和激光增材制造技術與理論等。主持包括國家重點研發計劃項目，國家自然基金重點、優青等7項國家基金在內的30余項國家及省部級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: Engineering，Additive manufacturing等眾多知名期刊發表SCI論文200余篇。獲授權中國發明專利60余項以及3項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西省科學技術一等獎、二等獎，中國交通運輸協會科學技術二等獎，中國材料研究學會科學技術二等獎，寧波市科技進步一等獎，陜西高校科學技術研究優秀成果特等獎，陜西省冶金科學技術一等獎，全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎等多項獎勵。

6紅會醫院簡介

西安市紅會醫院成立于1911年，是西安市最早的公立醫院，現為集醫療、教學、科研、康復于一體的三級甲等綜合醫院，實施“12333”發展戰略，堅持“大綜合、強骨科”的發展目標。醫院現有三個院區，擁有高級職稱專家353人、博士104人、博碩導師60余人，年門診量86萬余人次、手術量近6萬例，骨科在西北區域專科聲譽排行榜中連續5年排名第二、地方醫院排名第一。作為陜西省骨科醫院及多所高校的研究生聯合培養基地與博士后科研工作站，醫院累計立項科研項目392項（其中國家自然科學基金32項），發表SCI論文575篇，獲國家科技進步二等獎1項及專利102項，聘請60余位國際頂尖專家為客座教授，成功舉辦多項國際骨科盛會。作為陜西省骨科醫療集團總院，帶動國內11個省市140余家協作醫院共建骨科聯盟，并在重大災難中勇擔社會責任，榮獲“全國五一勞動獎狀”“中國醫師獎”等多項榮譽。2023年北院區開診，2024年通過國家電子病歷五級評審并與西安市第一醫院共建骨科、眼科診療基地，南院區改擴建項目已獲批。醫院正秉承“厚德、篤行、創新、和諧”的院訓，朝著“強綜合、大骨科之世界名院”的目標邁進。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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