3D打印技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是可以控制包括桿徑，孔徑，孔隙率，表面積等參數(shù)。實(shí)際上，較高孔隙率及孔隙大小更利于骨長(zhǎng)入，但是這會(huì)降低支架的力學(xué)強(qiáng)度，而較大的表面積則利于細(xì)胞的增殖、黏附。為了得到兼具力學(xué)性能和生物學(xué)性能的支架，我們需要對(duì)支架模型的孔徑，桿徑，表面積，孔隙率等分析。

支架模型設(shè)計(jì)與分析

因此我們通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件分別設(shè)計(jì)出3組鉆石結(jié)構(gòu)和3組簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)支架模型，設(shè)定桿徑分別為0.15mm、0.20mm和0.25mm；孔徑大小100μm到500μm之間。軟件分別測(cè)算六組支架模型在相同桿徑下隨著孔徑變化時(shí)支架的表面積增肌率和孔隙率的變化關(guān)系，進(jìn)而初步篩選出兼具力學(xué)性能和生物學(xué)性能的支架。

建模設(shè)計(jì)出了具有不同桿徑（分別為0.15mm,0.2mm和0.25mm）的鉆石結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的兩類(lèi)支架，每組建模圖的桿徑不變，而孔徑逐漸增大。眾所周知，孔徑在200 - 500μm之間的，孔隙率為60 - 90%左右為有利于骨組織和血管組織的長(zhǎng)入。六組支架中當(dāng)桿徑一定時(shí)，隨著設(shè)計(jì)支架孔徑的增加，支架的表面積增加率與孔隙率成負(fù)相關(guān)性，當(dāng)孔隙率為80%左右時(shí)，支架的表面積增加率為80% - 100%，且處于一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析我們可以認(rèn)為孔隙率約80%時(shí)，支架兼具了良好的力學(xué)與生物學(xué)性能。

支架打印與性能測(cè)試

我們將設(shè)計(jì)好的支架模型通過(guò)SLM打印技術(shù)打印出兩組不同的結(jié)構(gòu)單元，分別為鉆石結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)。支架表面呈銀光色，鉆石結(jié)構(gòu)及立方結(jié)構(gòu)清晰，酸蝕前的鈦支架表面較平滑，可見(jiàn)少量雜質(zhì)顆粒，而經(jīng)酸蝕處理后鈦表面粗糙，出現(xiàn)了類(lèi)似蜂窩樣結(jié)構(gòu)。隨著桿徑的增大，多孔鈦支架的實(shí)際孔隙率與設(shè)計(jì)孔隙率越接近，相對(duì)誤差率也越小。

抗彎曲強(qiáng)度及彈性模量測(cè)試

樣件放在固定距離的一對(duì)支撐點(diǎn)上，用垂直向下的的荷載施加在試件的中點(diǎn)上方，增大荷載使試件彎曲，直至樣件從中點(diǎn)處斷裂。為了測(cè)量各組支架的抗彎曲強(qiáng)度及彈性模量，使用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)（INSTRON，8872，美國(guó)）進(jìn)行常溫下靜態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。每組5個(gè)樣件進(jìn)行彎曲測(cè)試直至樣件折斷，試驗(yàn)參數(shù)為：跨距40mm，加載速率5.0mm/min，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的彎曲應(yīng)變，彎曲應(yīng)力，用機(jī)器自帶軟件計(jì)算彈性模量，分析兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的支架與下頜骨皮質(zhì)骨的力學(xué)適配性，與人下頜骨皮質(zhì)骨力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，從而分析支架的機(jī)械力學(xué)性能。

相同孔隙率的鉆石結(jié)構(gòu)組多孔支架的抗彎曲強(qiáng)度隨著桿徑增大而逐漸降低，而作為對(duì)照組的簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的多孔支架也展現(xiàn)了良好的力學(xué)性能，彈性模量與下頜骨皮質(zhì)骨相適配。因此本研究中的四組支架不僅可以與下頜骨皮質(zhì)骨的彈性模量相匹配，而且保證了支架具有較高的抗彎曲強(qiáng)度，可以滿足骨組織支架的強(qiáng)度需求。鉆石結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)支架均與人下頜骨皮質(zhì)骨具有良好的力學(xué)適配性，故我們選定桿徑同為0.25mm的兩種結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行微弧氧化處理。

表面形貌觀察

將經(jīng)微弧氧化處理前后的四組多孔鈦支架分別于掃描電子顯微鏡（SEM）觀察表面形貌。微弧氧化技術(shù)在3D打印宏多孔鈦支架表面制備出微納米孔結(jié)構(gòu)，形成宏孔和微孔結(jié)構(gòu)的多級(jí)孔洞支架。因簡(jiǎn)單立方和鉆石結(jié)構(gòu)的鈦支架，用的都是純鈦粉且微弧氧化電解液一致，遂在該組實(shí)驗(yàn)中，我們選擇經(jīng)微弧氧化前后鉆石結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行EDS元素分析。

鈦基金屬材料在骨修復(fù)中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

生物材料替代了自體骨移植方法，為創(chuàng)傷、炎癥、腫瘤切除和先天性畸形所致骨缺損的治療提供了新的策略。雖然目前大多修復(fù)大塊骨缺損的研究都是集中在可降解材料如鎂基金屬材料和非可降解材料如羥基磷灰石之類(lèi)的材料，但鈦基金屬才是真正的用于臨床中的材料。作為少數(shù)能夠直接與人骨相接觸的材料，鈦及鈦合金因其穩(wěn)定的機(jī)械力學(xué)性能及良好的生物相容性廣泛應(yīng)用于骨及牙科的臨床中。

鈦及鈦合金在未經(jīng)處理的情況下生物學(xué)活性往往較低，因此在植入術(shù)后，會(huì)導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度低或骨整合效率低下等問(wèn)題。那么，現(xiàn)在很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)植入體表面進(jìn)行改性處理，提高其生物學(xué)活性，使種植體表面和骨組織間發(fā)生良好的生物學(xué)反應(yīng)，從而更高效的促進(jìn)新骨形成，達(dá)到快速成骨和提高骨整合效果，從而完成縮短手術(shù)周期和提高成功率的目的。

血管化與骨再生

越來(lái)越多的證據(jù)表明，骨和成骨中的血管生成過(guò)程是耦合的。血管在促進(jìn)骨愈合中起著重要作用，因?yàn)樗鼈儾粌H能輸送必需的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還能將成骨細(xì)胞輸送到骨缺損區(qū)域，甚至分泌骨誘導(dǎo)生長(zhǎng)因子。已有文獻(xiàn)證明，在組織工程中應(yīng)用血管化策略可以明顯促進(jìn)骨再生。然而，制備具有利于血管長(zhǎng)入的孔洞和管道結(jié)構(gòu)依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)為快速準(zhǔn)確地制造再生醫(yī)學(xué)支架提供了新的策略，3D打印支架的孔洞和管道可以專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，以允許宿主血管及骨組織向內(nèi)生長(zhǎng)。考慮到3D打印用于大型骨缺損的再生，最顯著的優(yōu)點(diǎn)之一是支架的幾何形狀可以很好地控制，以適應(yīng)復(fù)雜的骨缺損。

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