通过三重周期最小表面双螺旋钛合金支架增强血管生成和骨整合

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骨修复 血管生成 三重周期最小表面 钛合金支架 骨整合 孔隙结构 细胞增殖

基于三重周期最小表面结构的双螺旋钛合金支架在骨修复中的应用研究

学术背景

骨缺损修复是骨科领域的一个重要挑战，尤其是在创伤、肿瘤、炎症等疾病导致的临界尺寸骨缺损（critical-size bone defects）情况下。目前，临床上常用的骨修复方法包括自体骨移植和异体骨移植。然而，自体骨移植存在供体部位损伤和供体骨量有限的问题，而异体骨移植则可能引发免疫排斥和疾病传播的风险。因此，骨组织工程（bone tissue engineering, BTE）成为了替代传统治疗方法的重要策略。钛合金因其优异的机械性能、生物相容性和耐腐蚀性，已被广泛应用于临床骨修复中。然而，钛合金的弹性模量高于天然骨，直接使用可能导致应力屏蔽效应（stress shielding effect），进而引发骨吸收和植入物松动。为了解决这一问题，研究人员引入了多孔设计，通过降低植入物的弹性模量来避免应力屏蔽效应，并为骨向内生长提供有效空间。

近年来，基于三重周期最小表面（triply periodic minimal surface, TPMS）结构的多孔支架因其与松质骨结构的相似性而受到广泛关注。TPMS结构具有平滑连续的表面，能够促进细胞黏附和增殖，并且在机械性能和骨传导性方面表现出色。然而，针对特定TPMS结构的最佳孔隙率（porosity）研究仍然有限。本研究旨在设计并制备基于TPMS结构的双螺旋（double gyroid, DG）钛合金支架，探讨不同孔隙率对骨整合（osseointegration）和血管生成（angiogenesis）的影响，为骨缺损修复提供新的设计思路和实验依据。

论文来源

本论文由Hao Liu、Hao Chen等来自吉林大学第二医院骨科的研究团队撰写，并于2024年12月21日在线发表在期刊Bio-design and Manufacturing上。该研究得到了中国国家自然科学基金、吉林省科技厅等多个项目的资助。

研究流程与结果

1. 多孔钛合金支架的设计与制备

研究团队使用计算机辅助设计软件Rhinoceros 6和插件Grasshopper设计了基于TPMS结构的双螺旋钛合金支架。通过调整数学函数参数，设计了四种不同孔隙率（40%、55%、70%、85%）的DG支架，分别命名为DG40、DG55、DG70和DG85。对照组为传统立方结构支架，孔隙率为70%，命名为Cube。支架采用电子束熔化（electron beam melting, EBM）技术制备，并使用Ti6Al4V ELI粉末作为原材料。制备完成后，通过喷砂和超声波清洗去除支架中的残留粉末，并进行灭菌处理。

2. 支架的表征与机械性能测试

通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）对支架的表面形貌和化学成分进行分析，结果显示支架表面均匀分布着Ti6Al4V金属颗粒，且元素组成与标准Ti6Al4V一致。微计算机断层扫描（micro-CT）显示支架的孔隙结构良好，无明显裂纹或杂质。压缩测试结果表明，DG支架的弹性模量和抗压强度随孔隙率的增加而降低，DG55支架的机械性能最适合作为骨科植入物。

3. 体外细胞实验

研究团队通过体外细胞实验评估了支架的生物相容性和促进血管生成及骨分化的能力。实验使用兔骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）和人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）作为研究对象。

  • 细胞增殖实验：通过活/死细胞染色和CCK-8实验评估BMSCs在支架上的增殖情况。结果显示，DG70支架上的细胞增殖能力显著优于Cube支架，而DG55支架的细胞增殖能力最佳。
  • 血管生成实验：通过划痕愈合实验、Transwell迁移实验和管形成实验评估HUVECs的迁移和管形成能力。结果显示，DG70支架显著促进了HUVECs的迁移和管形成，而DG55支架的效果最佳。
  • 骨分化实验：通过碱性磷酸酶（ALP）染色和茜素红S（ARS）染色评估BMSCs的骨分化能力。结果显示，DG55支架在促进骨分化方面表现最佳。

4. 体内动物实验

研究团队将支架植入新西兰兔的股骨髁骨缺损模型中，评估支架在体内的血管生成和骨再生能力。通过微CT和组织学分析发现，DG55支架在促进新骨形成和血管生成方面表现最佳，且新骨组织的成熟度较高。

结论与意义

本研究通过设计并制备基于TPMS结构的双螺旋钛合金支架，系统探讨了不同孔隙率对骨整合和血管生成的影响。研究结果表明，DG55支架在促进细胞增殖、血管生成和骨分化方面表现最佳，且其机械性能适合作为骨科植入物。与传统的立方结构支架相比，DG支架具有更大的比表面积和更均匀的流体分布特性，能够更好地促进细胞黏附和生长。

本研究的科学价值在于为骨缺损修复提供了新的支架设计思路，优化了钛合金支架的孔隙结构设计，为临床骨修复应用提供了重要的实验依据。此外，研究还揭示了TPMS结构在促进血管生成和骨再生中的独特优势，为未来骨组织工程的研究提供了新的方向。

研究亮点

  1. 创新性支架设计：首次将双螺旋结构与TPMS结合，设计出具有优异生物相容性和机械性能的多孔钛合金支架。
  2. 系统性研究：通过体外细胞实验和体内动物实验，全面评估了不同孔隙率支架的骨整合和血管生成能力。
  3. 最佳孔隙率确定：研究发现55%孔隙率的DG支架在促进骨再生和血管生成方面表现最佳，为临床骨修复提供了重要参考。
  4. 流体特性分析：通过计算流体动力学分析，揭示了DG支架在细胞黏附和生长中的优势。

其他有价值的信息

研究团队还对比了传统螺旋结构和双螺旋结构的比表面积和流体分布特性，发现双螺旋结构在细胞黏附和生长方面更具优势。此外，研究还探讨了TPMS结构在激活YAP/TAZ信号通路中的作用，为未来研究提供了新的思路。