摘要：在生物体中，各种3D微观结构具有不同的功能，包括应对威胁时减轻损伤、加速营养的合成和运输以及促进细胞生长和繁殖调节。这些微观结构在生物体的生存和发展中起着关键且不可替代的作用。骨骼是人体的主要支撑结构，具有两个独特的属性：刚性，提供全身支撑；韧性，保护内脏免受

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在生物体中，各种3D微观结构具有不同的功能，包括应对威胁时减轻损伤、加速营养的合成和运输以及促进细胞生长和繁殖调节。这些微观结构在生物体的生存和发展中起着关键且不可替代的作用。骨骼是人体的主要支撑结构，具有两个独特的属性：刚性，提供全身支撑；韧性，保护内脏免受外部冲击。在大多数材料中，这两种属性通常是相互排斥的。因此，骨组织的独特的3D微观结构在使其同时表现出刚性和韧性方面起到了重要作用。尽管骨组织具有自然再生能力来愈合裂缝和某些类型的骨折，但超过临界大小阈值的骨缺损（每年约有四百万患者需要接受临界骨缺损修复手术）在没有干预的情况下不会愈合。在临床环境中，由于先天性异常、创伤、动脉瘤和癌症导致的临界大骨缺损的最常见的治疗方法是自体骨移植，这伴随着自体骨的大小和形状不匹配、骨吸收和继发性疾病等挑战。3D打印支架能够有效解决不规则形状的问题，通过结合表面设计，可以改善骨整合并最小化感染风险。因此，开发模仿天然骨微观结构的生物替代品以修复临界大小的骨缺损并重新建立自然骨功能至关重要。

来自上海交通大学的金学军等团队提出了一种用于3D打印支架的分形仿生设计，该设计结合了3D打印和高能等离子钽合金制造技术，使其在工业规模上易于生产。分形仿生设计利用了分形几何的原理，采用自相似模式和随机分形，以实现3D支架上的自相似表面设计。这种方法旨在紧密模仿自然骨结构中观察到的分形维数。虽然植入物的表面粗糙度在恢复结果中起着关键作用，但这一发现表明，纳入表面的分形维度可能比单纯的粗糙度更为重要。使用大鼠颅骨缺损模型来评估三种支架的成骨潜力，并首次采用光声技术对骨修复过程中的生理信号进行长期、原位监测。细胞实验和动物实验的结果均表明，分形仿生支架相对于表面改性支架和3D打印支架具有显著优势。实验结果显示，仿生支架组表现出更好的促进骨生成的过程。相关工作以题为“A FraCTal-Like Hierarchical Bionic Scaffold for Osseointegration”的文章发表在2025年01月07日的期刊《Advanced Functional Materials》。

【仿生设计支架规则与随机分形在骨组织（理化与几何）】

图1展示了促进骨生长的仿生支架设计策略的核心概念。本文在仿生支架的制造过程中创建了一个高能量等离子云环境（图1A）。通过施加电压、电流、高温和离子轰击，支架表面表现出自优化行为，随后形成了层级组织结构。本文考虑了几何结构对多尺度骨修复的影响，不仅仅在单一维度上，因为骨组织本质上具有层级组织结构。因此，对于骨组织的修复，本文专注于仿生的微环境，包括几何形状以及物理和化学性质。细胞对微环境的几何特征——包括凹槽、脊和孔洞，从纳米到毫米不等的尺度——的反应方式已经研究了几十年。普遍认为，更合适的表面粗糙度可以增强骨组织的恢复。本文设计的仿生支架的表面粗糙度与实际头骨显著不同（图1E），但结果表明，仿生支架的成骨性能优于表面粗糙度接近自然骨的支架。分形维数可能比表面粗糙度更适合描述支架表面的生物学效应。本文在纳米尺度上基于大鼠自然头骨中发现的几何形状开发了仿生支架，主要关注复制自然的自仿射结构（图1B）。这种多层次自下而上的仿生设计使得支架更加类似于真实的骨结构。除了这些规则的自仿射形状外，骨骼还有更多的随机形状。目前骨修复支架的表面设计主要依赖于均匀的周期性结构，例如纳米管。对于其他不规则或非均匀表面的支架，例如水凝胶，没有确定的定量方法来描述其表面形态，相关结论仍然未被充分探索。

为了弥补这一空白，本文引入了分形维数的概念来定量描述骨表面的随机结构，这些结构在固定尺度（例如微米和纳米）上表现出随机结构以及分形自仿射架构。本文的研究从两个角度描述了分形仿生支架：分形维数和表面孔隙相似性。孔隙结构的相似性如图1B所示，并在多个尺度上进行了可视化展示。对于分形维数，本文计算并比较了实验支架组、自然骨和仿生支架组之间的值。结果表明，仿生支架与自然骨之间的分形维数没有统计学上的显著差异（图1D）。这些发现强调了本文的分形仿生支架成功地复制了骨孔形态的相似性和自然骨表面的维度特征，为支架设计提供了一种新颖的方法。骨表面的分形维数与仿生支架没有显著差异，但与其他两种支架显著不同（图1D）。这两种几何结构的组合使得支架表面更像真实骨的表面地形，本文预期它将产生更有效的骨修复效果。

图1 基于规则形状和高分形维数的骨组织3D支架表面设计

微环境中增强骨修复的另一个关键方面包括支架表面的物理化学性质。为了改善表面的性质，主要利用高温和高密度等离子云的作用，使表面主要由钛钽合金组成。这种合金为骨修复提供了比3D打印的钛合金（Ti6Al4V）更有利的化学环境。首先，仿生支架表面形成的单一均匀钛钽结构可以显著减少TC4中可能影响人体长期植入的铝和钒的沉淀问题，从而确保支架的安全性。许多研究表明，接近真实骨的弹性模量可以显著减少“应力屏蔽”效应，从而改善骨恢复。仿生支架的弹性模量为≈22 GPa，与骨骼皮质骨的弹性模量（16.6至25.7 GPa）一致（图2B）。通过聚焦离子束（FIB）铣削，本文获得了三种支架的表面微观结构（图2D-G）。3D打印支架的双相结构消失，表面改性支架上出现了明显的马氏体条状结构，其主要晶体结构由α和β相组成。图2E显示了表面改性支架中元素的明显分离。这种分离表明支架表面微观区域的性能有所降低。仿生支架的TEM结果表明，其复杂的相被挤压到最外层（大多数区域显示出均匀的单bcc结构），EDS结果表明，在大多数区域没有元素分离（图2F,G）。本文认为这三种结构的显著差异首先导致了模量的变化，其次，均匀的仿生支架和表面改性支架在纳米压痕测试中表现出超弹性特性（图2A）。仿生支架显示出更长且更平滑的平台，表明其超弹性质量高于其他两种支架表面。

图2 对三种支架样品（3D打印支架、表面改性支架和仿生支架）的机械性能和微观结构进行评估

【通过光声技术原位评估仿生3D打印支架的骨再生】

关键尺寸颅骨的修复和功能恢复是一个多因素过程，包括各种生理、电和机械信号的变化，这些信号的变化表明了修复区域的状况。长期原位监测这些信号有助于跟踪骨修复过程并确定修复的关键时间点；此外，它还可以作为评估仿生支架性能的指标之一。光声断层扫描（PAT）可以在骨修复过程中，提供小鼠大脑不同长度尺度上的结构、血液氧合和流动动态信息；不同的组织和材料具有不同的特定吸收范围，这可以有效减少特定波长下的背景干扰。在第一周（具体是手术后第四天），原位观察了大鼠的骨缺损区域，并注意到受伤部位周围有大量的血流，除了在3D打印支架上以外（图3A–C）。血管信号主要集中在支架下方，因此推测颅骨修复是从基部向大脑皮层进行的。与第二周的血管数据相比，仿生支架的血流信号显著增强，逐渐覆盖整个支架。在第四周，仿生支架的信号更为集中，这表明仿生支架具有促进支架内血管生长的效果。到了第12周，仿生支架的血管信号减弱到低点（图3F）。相比之下，3D打印支架的血管信号显著增加，其血管面积明显低于仿生支架（图3D）。值得注意的是，所有三种支架在支架内部都接收到血管信号。在第一周，3D打印支架中的血氧和血红蛋白区域不连续，而仿生支架和表面修饰支架的信号区域则更加连续。这表明仿生支架的表面促进了细胞修复。

图3 支架植入后第一周和第十二周内，对大鼠颅骨缺损区域的血氧饱和度/总血红蛋白（HBT）、光声成像以及血流进行原位观察

骨生成和血管生成是决定骨修复成功与否的两个关键因素，内部血管的发展对于骨再生的成功至关重要。如图4A所示，骨修复所需的营养物质、细胞代谢所需的氧气以及促进修复的各种细胞并不是在骨缺损内合成的；它们必须通过血管运输到受影响的区域，然后由血管移除细胞产生的废物。PAT可以在骨修复过程中捕捉血液供应的变化，并通过量化不同区域的血红蛋白氧饱和度（SO2）来评估骨缺损区域内的营养交换和细胞分布及迁移。本文观察到血管面积和HBT呈现出类似的波形趋势，其中仿生支架的变化最为显著（图4A,B）。与其他两种支架相比，仿生支架出现得更早且峰值更高。血流面积和HBT的峰值出现时间比表面仿生支架快两倍，比3D打印支架快六倍以上。本文认为这提供了由于仿生支架表面的分形设计和理化性质而加速修复的证据。此外，表面修饰支架相对于3D打印支架也显示出显著更快的修复速度，这表明支架表面微环境的变化可以显著影响骨修复的速度。就峰值而言，仿生支架的HBT峰值数量显著高于其他两种支架。这是因为仿生支架能够有效增强缺损部位的细胞活性，从而促进缺损修复。虽然仿生支架和表面修饰支架的血流面积之间没有显著差异，但它们都是3D打印支架的四倍。本文认为这可能是由于局部受损区域生成的血管总数有限，而这两种支架都能促进血管生长。因此，监测支架的光声信号变化可以作为评估缺损部位骨修复各阶段的辅助工具。

图4 支架植入后12周内的血氧饱和度（SO2）/总血红蛋白（HBT）、光声成像和血流的原位观察结果

【仿生3D打印支架的骨再生效果的体外和体内评估】

本文通过体内和体外实验来确认仿生支架的成骨特性。在每只大鼠的头骨上创建了直径为5毫米的标准颅骨缺损模型（组数=10），并在受控环境中饲养了12周。在死亡之前，没有观察到任何实验动物出现严重的感染迹象。CT图像也描绘了骨形成的趋势（图5A，B）。与其他两种支架相比，仿生支架表现出更快的骨形成速度和更多的骨形成量。此外，值得注意的是，微CT图像结果与光声图像一致。与血管信号的方向一致，微CT结果还表明初始骨形成部位位于支架下方。对于仿生支架，骨形成的最显著变化发生在4-8周，这与HBT最快速下降的时期相吻合。体外细胞实验显示仿生支架具有良好的细胞相容性（图5C），图5D展示了在支架上培养的BMSCs的共聚焦荧光图像。SEM图像显示BMSCs进入了3D多孔结构，并很好地附着在表面和仿生支架上。此外，BMSCs在表面上呈现出良好的伸展、拉长和典型的纺锤形形态，并且ALP结果表明3D仿生支架提供了适合细胞附着和生长的理想微环境。在添加成骨补充剂培养14天后，进一步评估了成骨基因的表达和Western-blot结果，以研究仿生表面对基因表达的影响（图5E，F）。当相对表达进行半定量分析时，发现仿生组中的成骨基因上调，相比于其他支架。这些结果表明，仿生支架上的许多基因表达是其他三组的三倍。

图5 三种支架在体外和体内的恢复能力

【总结与展望】

本文在此提出了一种创新的方法，称为分形仿生设计策略，旨在利用骨的分形结构和几何特征来增强传统支架的表面特性，本文的总目标是增强支架促进骨修复和血管生成的能力。通过使表面与自然头骨表面的分形维度和轮廓对齐，并调整内部微观结构，这一策略产生了一种低模量、超弹性的钛-钽合金，具有单一的bcc晶体结构。因此，弹性模量显著降低，使其更加接近实际骨的弹性模量。此外，具有接近骨的分形维度的仿生组比表面改性组显示出更优越的修复效果，其粗糙度类似于骨。看来，分形维度可能比表面粗糙度对骨修复有更大的影响。体内和体外研究结果明确表明，该支架具有卓越的生物相容性、加速骨整合的能力以及促进骨修复和血管生成的能力。此外，本文还探讨了利用光声技术动态和原位监测关键骨缺损修复，为促进血管化和加速骨整合的仿生支架提供了有力的证据。此外，本研究还为体内观察和评估生物材料提供了有价值的见解。这种治疗方法还证明在减少多孔支架表面上未熔化颗粒方面有效，为3D打印多孔支架提供了强大的后处理技术。就实用性而言，提出的分形促骨仿生设计过程可以应用于各种金属材料，为表面改性提供通用解决方案。该方法的可靠性和成本效益使其特别适用于大规模工业化。

来源：EngineeringForLife