孔隙结构在3D打印多孔钛合金骨整合过程中的作用机制研究

The pore structure of 3D printed porous Ti6Al4V is closely related to the bone repair, but between the mechanism is still not clear. Previous studies and literatures have shown that the larger permeability and specific surface area per unit volume is conducive to cell activity, but the increase of permeability also decreased surface area per unit volume. Therefore, the contradiction that how to balance the relationship between these two parameters need to be solved. On the basis of this, applicant assumes that the pore permeability and specific surface area per unit volume both has an optimum critical range, and the pore structure that allows these two parameters are in the range can better balance permeability and specific surface area per unit volume. Therefore, define the mechanism of pore permeability and specific surface area per unit volume in osseointegration, and then obtain the parameter optimum critical range is scientific problems to be solved. In this study, firstly, we intend to fabricate the 3D printed porous Ti6Al4V with different pore structures; secondly, the permeability and specific surface area per unit volume will be measured; thirdly, the differences in the process of osseointegration among different pore structures will be evaluated through the in vitro tissue co-culture experiments and the in vivo animal bone defects repairing experiments. Passing the above experiments, we expect that the mechanism of pore permeability and specific surface area per unit volume in the osseointegration of 3D printed porous Ti6Al4V will be elucidated. And then the osseointegration of 3D printed porous Ti6Al4V can be optimized by adjusting the pore structure.

孔隙结构同3D打印多孔钛合金的骨修复密切相关，但二者间的作用机制仍不明确。前期研究及文献表明较大的孔隙渗透率及单位体积比表面积有利于细胞活性，但提高渗透率同时会降低单位体积比表面积，因此如何平衡二者的关系是一个亟待解决的矛盾。据此申请人假设孔隙渗透率和单位体积比表面积都存在一个最佳临界范围，而两个参数都处于这一范围的孔隙结构会较好的平衡渗透率与单位体积比表面积。因此通过阐明骨整合过程中孔隙渗透率与单位体积比表面积的作用机制，进而获取参数最佳临界范围是亟待解决的科学问题。本课题拟制备不同孔隙结构的3D打印多孔钛合金，对其孔隙渗透率与单位体积比表面积进行详细表征，通过组织共培养实验及骨缺损修复实验对不同孔隙结构之间骨整合过程的差异进行动态观察分析。最终实现阐明3D打印多孔钛合金的孔隙渗透率及单位体积比表面积在骨整合过程中的作用机制的研究目标，进而可以通过调整孔隙结构优化多孔钛合金的骨整合能力。

多孔金属内植物已广泛应用于骨科临床骨缺损的修复重建。孔隙结构是三维仿生骨小梁多孔材料的基本设计要素，孔隙结构的差异会导致多孔材料的孔隙率、渗透率和比表面积的差异，从而影响多孔材料的力学强度、细胞相容性和成骨性能。因此，孔隙结构与结构性能之间的关系需要得到探索，并进一步明确优化的孔隙结构设计。三周期极小曲面(TPMS)是一种通过数学函数定义的曲面，可用于设计高度可控且均匀分布的多孔结构。TPMS曲面方程中的常数定义了最小表面曲率的周期性变化，这使得基于TPMS曲面构建的孔隙结构成为研究优化多孔结构设计的可控模型。本研究采用增材制造技术制备了多种TPMS多孔结构，并研究了TPMS多孔结构的物理特性、力学性能和组织相容性。具体来说，本研究结合三种TPMS曲面(S、D、G)和4个曲面方程常数(0.0、0.2、0.4、0.6)设计了多种TPMS多孔结构，并采用选择性激光熔融技术成功制备。通过数学方法和压缩试验研究了TPMS多孔结构的设计特点和力学性能。并将制备的样品与间充质干细胞共培养进行多孔材料的细胞相容性研究。结果表明，整个制造过程具有良好的可控性、重复性和准确性。基于TPMS曲面构建并制造具有特定和可控孔隙形态的多孔材料，为组织工程领域的发展提供了新方向。不同的TPMS多孔材料在结构特性、力学性能、细胞相容性等方面具有不同的特点，这一结果明确了将不同TPMS多孔结构应用于骨科植入物不同部位的可行性。其中，S多孔结构由于相对较弱的力学稳定性以及较高的比表面积，使其更适合应用于骨科植入材料的内部结构。同时，G多孔结构由于相对较强的力学稳定性以及相对均衡的细胞相容性，使其具有较广泛的应用范围，更适合应用于骨科植入材料的承重结构。需要注意的是，本研究建立了TPMS多孔结构孔隙率与曲面函数方程中常数的线性相关关系。通过这种方法，在制造之前精确定义TPMS多孔材料的孔隙率具有了较强的可行性，从而可以根据优化的设计来定制骨科多孔植入材料。