面向骨科植入物的仿生多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造方法

焦 晨 晁 龍 朱 磊 沈理達(dá) 梁繪昕 戴 寧 王長(zhǎng)江 孫 駿

1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京，210016

2.南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院，南京，210008

3.薩塞克斯大學(xué)，布萊頓，英國(guó)，BN1 9RH

4.江蘇省藥品不良反應(yīng)監(jiān)測(cè)中心，南京，210002

0 引言

目前，骨缺損、粉碎性骨折等骨科疾病是骨科領(lǐng)域治療研究的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)，而采用外部植入體代替宿主骨是應(yīng)對(duì)大面積骨缺損的有效途徑。以往的致密植入體由于彈性模量過高而存在“應(yīng)力屏蔽”問題[1-2]，即應(yīng)力不能從植入體充分轉(zhuǎn)移到骨，使植入體周圍骨細(xì)胞難以得到足夠的應(yīng)力刺激而死亡。為解決傳統(tǒng)致密植入體彈性模量過大帶來(lái)的問題，人們將多孔結(jié)構(gòu)引入到植入體[3-4]，通過調(diào)整孔隙率等參數(shù)，將支架彈性模量降低至人體骨骼水平，實(shí)現(xiàn)植入體與人體骨的匹配。使用多孔結(jié)構(gòu)骨支架時(shí)，支架與人體骨組織的接觸面積更大，能更好地引導(dǎo)骨細(xì)胞長(zhǎng)入，在生物層面上實(shí)現(xiàn)固定結(jié)合[5]。目前，具有多孔結(jié)構(gòu)的植入體可采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)，其中，激光選區(qū)熔化[6-7](selective laser melting，SLM)和光固化成形[8-9](stereo lithography apparatus，SLA)是組織工程領(lǐng)域最常見的方法。采用增材制造技術(shù)制備的多孔支架具有強(qiáng)度高、質(zhì)量小、耐腐蝕性好、彈性模量適中、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在組織工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[10-14]。

仿天然骨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法正逐漸成為研究熱點(diǎn)，研究者從形態(tài)、特征參數(shù)、力學(xué)性能和生物性能等多個(gè)方面綜合評(píng)估骨支架的設(shè)計(jì)方案。目前，仿人體骨骼的設(shè)計(jì)主要通過基于圖像的反求建模方法、數(shù)學(xué)建模方法等[15-19]?；赩oronoi細(xì)分的數(shù)學(xué)建模方法在構(gòu)造多孔過程中表現(xiàn)出良好的性能，可構(gòu)造出天然不規(guī)則多孔材料的近似模型，如膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)[20]和生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)[21-22]，因此受到了廣泛關(guān)注。FANTINI等[23]提出了基于Voronoi方法的類骨小梁結(jié)構(gòu)全互連多孔支架設(shè)計(jì)方法，GOMEZ等[24]結(jié)合顯微CT對(duì)Voronoi骨小梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行更精確的匹配。遺憾的是，以往對(duì)不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)的多數(shù)研究忽略了不規(guī)則度及其演化的影響，造成結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的不穩(wěn)定。

筆者使用一種正向設(shè)計(jì)方法，基于泰森多邊形原理構(gòu)建可控多孔支架，并將其與規(guī)則排列多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)。為評(píng)估多孔支架形態(tài)等設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，采用激光選區(qū)熔化工藝與數(shù)字光處理(digital light processing，DLP)技術(shù)制備了金屬與陶瓷樣品，從仿生性能、壓縮性能等多個(gè)維度進(jìn)行評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)、制造與潛在應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

基于泰森多邊形的不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是通過概率球控制點(diǎn)陣的不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其基本設(shè)計(jì)思路是：在空間規(guī)則排列的球形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成種子點(diǎn)，利用泰森多邊形原理對(duì)隨機(jī)種子點(diǎn)陣進(jìn)行聯(lián)結(jié)并生成Voronoi元胞，基于所生成元胞進(jìn)行優(yōu)化并形成多孔支架。本文采用犀牛grasshopper進(jìn)行模型構(gòu)建，通過賦予元胞各棱的直徑來(lái)改變孔隙率。試驗(yàn)中，設(shè)置3個(gè)水平的孔隙率、3個(gè)水平的不規(guī)則度，通過試驗(yàn)獲取各參數(shù)支架的彈性模量、壓縮強(qiáng)度等參數(shù)，從而篩選具有最優(yōu)綜合性能的設(shè)計(jì)參數(shù)。本文不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法如圖1所示。

隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)與規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)的打印尺寸均為16 mm×16 mm×12 mm，規(guī)則結(jié)構(gòu)的內(nèi)部由4 mm×4 mm×4 mm的單元體進(jìn)行結(jié)構(gòu)填充，單元體結(jié)構(gòu)分別為金剛石結(jié)構(gòu)、菱形十二面體結(jié)構(gòu)、面心結(jié)構(gòu)、體心結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 多孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法

1.2 多孔結(jié)構(gòu)的制備

多孔結(jié)構(gòu)成形原理及樣件如圖2所示。使用SLM設(shè)備(EOSINT M290；EOS GmbH，德國(guó))和優(yōu)化的工藝參數(shù)制造試樣，所使用材料為Ti-6Al-4V粉末，具體工藝參數(shù)為：功率180 W，掃描速度1 m/s，掃描間距0.06 mm，層厚30 μm。第1組試樣的不規(guī)則度(隨機(jī)點(diǎn)生成區(qū)域直徑與原始點(diǎn)間距的比值)ε為0.10、0.25、0.50，設(shè)計(jì)孔隙率Φ為(60±1)%，控制點(diǎn)數(shù)為2000；第2組試樣的ε為0.5，Φ分別為(50±1)%、(60±1)%、(70±1)%，控制點(diǎn)數(shù)為1000，所成形樣件如圖2b所示。

使用自研DLP設(shè)備成形陶瓷多孔結(jié)構(gòu)，所用材料為ZrO2/HA復(fù)合陶瓷粉末，具體的參數(shù)如下：氧化鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%，分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，曝光層厚20 μm，曝光時(shí)長(zhǎng)10 s，曝光功率20 mW/cm2，以“先真空、后空氣”的脫脂氛圍對(duì)坯體進(jìn)行脫脂[25]。采用無(wú)壓方式燒結(jié)圖2d所示樣件，燒結(jié)后的樣件會(huì)收縮變致密。

(a)SLM成形原理 (b)金屬支架樣件

1.3 設(shè)計(jì)模型的有限元分析

使用商業(yè)軟件ABAQUS 2016對(duì)理想的設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響，仿真的材料為鈦合金，其彈性模量為105 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為830 MPa。假設(shè)有限元模型是線性、彈性和均勻的，在底部邊界固定的情況下，對(duì)支架的頂部施加100 MPa的壓力。通過參數(shù)設(shè)置、模型網(wǎng)格劃分和求解，研究壓力作用下多孔支架的應(yīng)力分布。

1.4 生物相容性檢測(cè)

使用小鼠胚胎成骨前體細(xì)胞MC3T3-E1進(jìn)行體外細(xì)胞培養(yǎng)，將分散在60 μL懸浮液中約20 000個(gè)細(xì)胞滴種在支架表面，隨后在37 ℃下靜態(tài)培養(yǎng)4 h以促進(jìn)細(xì)胞附著。以添加10%(體積分?jǐn)?shù))胎牛血清、100 U/mL青霉素和100 mg/mL鏈霉素的細(xì)胞培養(yǎng)基DMEM(Dulbecco’s modified eagle medium)為培養(yǎng)基。將細(xì)胞種植的支架轉(zhuǎn)移到24孔板上，4 h后添加培養(yǎng)基進(jìn)行后續(xù)培養(yǎng)，隨后每2天更新一次培養(yǎng)基。

使用熒光染色法檢測(cè)細(xì)胞活力，培養(yǎng)1天后，支架吸收細(xì)胞并用磷酸鹽緩沖液(phosphatebuffersaline，PBS)洗滌，然后用5 mol/L鈣黃綠素和4 mol/L同二聚體乙醚處理細(xì)胞20 min，清洗后將其安裝在載玻片上進(jìn)行熒光顯微鏡觀察。

采用掃描電鏡觀察細(xì)胞在支架上的附著情況，在細(xì)胞接種支架培養(yǎng)3天后，用PBS沖洗，用體積分?jǐn)?shù)2.5%的戊二醛溶液浸泡2 h以固定細(xì)胞，在梯度乙醇/蒸餾水混合物中脫水10 min并在六甲基二硅氮烷中干燥，最后在掃描電鏡下觀察支架上附著的細(xì)胞。

采用CCK-8法檢測(cè)細(xì)胞增殖，在培養(yǎng)1、3和5 天時(shí)，在24孔板各孔位滴入10 μL CCK-8，隨后在37 ℃繼續(xù)培養(yǎng)2 h，最后通過范式檢測(cè)平臺(tái)在450 nm處測(cè)量吸光度(重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)n=3)。

2 性能評(píng)價(jià)

2.1 隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

圖3所示為不同金屬支架的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果。將彈性模量和極限強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)多孔生物材料力學(xué)性能的關(guān)鍵表征參數(shù)。如圖3c所示，設(shè)計(jì)孔隙率為(60±1)%時(shí)，樣品的彈性模量為3.16～3.80 GPa，且隨著不規(guī)則度的增大，彈性模量逐漸減??；樣品的極限強(qiáng)度為106～158 MPa，且隨不規(guī)則度增大呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。如圖3d所示，不規(guī)則度為0.5時(shí)，不同孔隙率樣品的彈性模量為1.84～5.11 GPa，極限強(qiáng)度為44.0～234.5 MPa。壓縮測(cè)試結(jié)果表明孔隙率較大的多孔結(jié)構(gòu)具有較小的彈性模量和極限強(qiáng)度，測(cè)試范圍內(nèi)的彈性模量、極限強(qiáng)度均與孔隙率成線性關(guān)系。該現(xiàn)象在關(guān)于晶格結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究中已得到證實(shí)[26]，因此在一定范圍內(nèi)通過微調(diào)孔隙率使多孔結(jié)構(gòu)達(dá)到所需的壓縮強(qiáng)度。由圖3e可以看到，多孔結(jié)構(gòu)在壓縮時(shí)有明顯的彈性壓縮階段，此階段對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力為該支架的可承受載荷。載荷繼續(xù)增大，結(jié)構(gòu)逐漸潰縮，局部應(yīng)力超過極限載荷，部分梁結(jié)構(gòu)斷裂，造成結(jié)構(gòu)失效。

(a)不同不規(guī)則度支架壓縮曲線 (b)不同孔隙率支架壓縮曲線

為驗(yàn)證不規(guī)則度對(duì)壓縮性能的影響，通過仿真軟件對(duì)金屬支架進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)相同。圖4所示為不同不規(guī)則度的結(jié)構(gòu)承受相同載荷時(shí)的應(yīng)力分布，高應(yīng)力區(qū)集中在不規(guī)則梁的交界處，不規(guī)則度為0.25的多孔樣件具有最高的局部應(yīng)力2146 MPa，因此可以推測(cè)具有較差的抗壓性能。不規(guī)則度增大時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)的部分單位晶胞逐漸從規(guī)則結(jié)構(gòu)畸變?yōu)椴灰?guī)則結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不規(guī)則梁的尺寸發(fā)生急劇變化，力學(xué)性能下降；不規(guī)則度達(dá)到較高水平時(shí)，不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力區(qū)形成更為平滑的過渡來(lái)改善壓縮性能。

(a)ε=0.1 (b)ε=0.25 (c)ε=0.5

2.2 結(jié)構(gòu)、材料與壓縮性能

圖3驗(yàn)證了基于泰森多邊形的隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)具有類似的壓縮曲線?？紫堵省⒉灰?guī)則度對(duì)極限壓縮強(qiáng)度等力學(xué)性能具有決定性的影響，本部分將ε=0.5、Φ=60%的隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)與圖1所示的4類規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)。為研究不同材料的同類型結(jié)構(gòu)壓縮性能的差別，筆者采用DLP工藝制備了與金屬支架結(jié)構(gòu)相同的陶瓷支架?？紤]到陶瓷結(jié)構(gòu)在燒結(jié)后收縮，因此以燒結(jié)后的陶瓷結(jié)構(gòu)尺寸作為設(shè)計(jì)參數(shù)制備SLM成形金屬結(jié)構(gòu)。

5類金屬結(jié)構(gòu)與5類陶瓷結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，從總體上看，不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)、菱形十二面體結(jié)構(gòu)、金剛石結(jié)構(gòu)具有相近的壓縮性能，其原因在于這3種結(jié)構(gòu)具有不同方向的承載梁，壓應(yīng)力在整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分布較為均勻。與菱形十二面體、金剛石結(jié)構(gòu)相比，不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)還有可調(diào)參數(shù)——不規(guī)則度，因此在調(diào)控力學(xué)性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部梁的分布更隨機(jī)，各項(xiàng)力學(xué)性能與受力方向關(guān)聯(lián)性低，因而不會(huì)因?yàn)樘囟ǚ较虺惺茌d荷而潰縮。體心結(jié)構(gòu)與面心結(jié)構(gòu)僅在特定方向具有優(yōu)良的力學(xué)性能，承受不沿特定方向施加的載荷時(shí)容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)滑移，從而失效，其承載能力僅為不規(guī)則、菱形十二面體及金剛石結(jié)構(gòu)的20%，因此在設(shè)計(jì)過程中，盡量排除體心結(jié)構(gòu)與面心結(jié)構(gòu)。

(b)陶瓷材料

陶瓷結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)在承受載荷方面存在顯著差別。由圖5b可知，陶瓷結(jié)構(gòu)承受一定載荷后，出現(xiàn)了一段緩慢上升的準(zhǔn)平臺(tái)期，其原因在于氧化鋯在受力時(shí)從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，通過相變吸收部分載荷的能量[27-28]，使結(jié)構(gòu)不潰縮。載荷超過一定值后，由于陶瓷材料自身的脆性，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部脆性斷裂，從而失效，在圖形上顯示出更大的波動(dòng)。由5b所示的測(cè)試結(jié)果可知，不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)、體心結(jié)構(gòu)、菱形十二面體結(jié)構(gòu)可承受的極限壓力為7～15 MPa，而人體松質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度為2～20 MPa[29]，因此植入時(shí)，陶瓷材料可作為松質(zhì)骨的替換材料，而金屬結(jié)構(gòu)具有更好的力學(xué)性能，可用于替換皮質(zhì)骨[30]。將本文所成形支架與類似研究中支架的彈性模量、極限強(qiáng)度等進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖6所示，彈性模量與極限強(qiáng)度成準(zhǔn)線性關(guān)系，并且不同材料對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)區(qū)域有顯著差異。

圖6 支架力學(xué)性能比對(duì)

2.3 支架生物相容性

使用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)一定時(shí)間培養(yǎng)后的細(xì)胞。如圖7a所示，長(zhǎng)條狀的是正常生長(zhǎng)的細(xì)胞，白點(diǎn)亮點(diǎn)是死亡細(xì)胞或細(xì)胞代謝物，觀測(cè)范圍內(nèi)的細(xì)胞增殖分化狀態(tài)良好。在支架上接種細(xì)胞，培養(yǎng)3天后的結(jié)果如圖7b所示，細(xì)胞已在圖中以黃色虛線進(jìn)行了標(biāo)記，可見，培養(yǎng)3天后的細(xì)胞能附著在支架表面，且細(xì)胞相互聚集，成片分布于測(cè)試件表面凸起或凹陷處，細(xì)胞足端有明顯的偽足伸出并與測(cè)試件表面聯(lián)結(jié)，說(shuō)明多孔支架能為細(xì)胞提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，為后期細(xì)胞增殖、分化等提供有利條件。

(a)培養(yǎng)基內(nèi) (b)支架上

將變不規(guī)則度的金屬支架與陶瓷材料支架進(jìn)行比對(duì)，采用CCK-8法測(cè)定經(jīng)一定時(shí)間培養(yǎng)后細(xì)胞的有效增殖。定量測(cè)試結(jié)果如圖8a所示，細(xì)胞數(shù)量隨培養(yǎng)天數(shù)增加而不斷增長(zhǎng)，進(jìn)一步表明各類支架均具有良好的生物相容性。不規(guī)則度較小時(shí)，支架內(nèi)較為單一的孔隙組合以及較小的附著面積導(dǎo)致培養(yǎng)后的細(xì)胞增殖數(shù)小于對(duì)照組；不規(guī)則度升大時(shí)，不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)形狀多樣的大小孔形成了良好組合，為細(xì)胞附著與增殖提供了有利條件，因而在光密度(optical density，OD)上大于對(duì)照組。圖8b所示的染色結(jié)果表明，不規(guī)則度增大時(shí)，細(xì)胞增殖更為明顯，偽足清晰可見(表明細(xì)胞有效附著在支架上)。與金屬支架相比，陶瓷支架的羥基磷灰石使其在細(xì)胞增殖方面具有更優(yōu)良的性能。

(a)CCK8測(cè)定結(jié)果

2.4 應(yīng)用展望

基于Voronoi細(xì)分的方法可以有效模擬健康海綿骨的結(jié)構(gòu)，并具有較高的精度。大多數(shù)情況下，通過調(diào)整種子點(diǎn)分布和縮放系數(shù)，可制備孔隙率在50%～80%的多孔結(jié)構(gòu)，成形的結(jié)構(gòu)與自然小梁骨如圖9所示[31]。隨機(jī)的種子提供了幾何上的異質(zhì)性，產(chǎn)生了真正的仿生形狀，根據(jù)力學(xué)性能與生物相容性的比對(duì)結(jié)果可知，不規(guī)則度為0.5的結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的類小梁結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上改變控制點(diǎn)密度可以制備具有梯度孔隙率的仿生結(jié)構(gòu)來(lái)匹配具有不同孔隙率的小梁結(jié)構(gòu)。

(a)健康海綿狀骨 (b)均質(zhì)仿生多孔結(jié)構(gòu)

將此方法推廣，通過對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行多孔化及布爾運(yùn)算，設(shè)計(jì)具有部分疏松多孔的復(fù)雜結(jié)構(gòu)植入假體。圖10展示了髖臼杯多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，該結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面保持相對(duì)光滑，從而減少關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的磨損，外表面的疏松多孔結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)骨細(xì)胞長(zhǎng)入與分化，獲得優(yōu)良的生物固定性能。

圖10 髖臼杯多孔表層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

本文基于泰森多邊形原理構(gòu)建了4類具有規(guī)則多孔特征的支架，從材料及結(jié)構(gòu)方面比對(duì)SLM制備的金屬支架與DLP制備的陶瓷支架的靜態(tài)力學(xué)性能和生物相容性。研究結(jié)果表明，隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)的不規(guī)則度與孔隙率均對(duì)壓縮性能有影響，可以通過調(diào)節(jié)二者來(lái)調(diào)控力學(xué)性能；孔隙率近似的情況下，不規(guī)則多孔支架與菱形十二面體及金剛石結(jié)構(gòu)具有相似的力學(xué)性能，金屬支架適合皮質(zhì)骨的替換而陶瓷支架適合松質(zhì)骨的替換。同時(shí)，隨機(jī)多孔支架的大小孔隙組合能促進(jìn)細(xì)胞的附著與分化。綜上，采用Voronoi原理設(shè)計(jì)的仿生結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能及細(xì)胞相容性，可匹配人體不同部位的骨骼，是一種潛在的植入結(jié)構(gòu)。