TPMS结构-螺旋（gyroid）是一种的典型的为增材制造而设计的结构，它们既具有高强度重量比，又具有非常高的表面积质量比，多被集成在需要进行热交换的3D打印部件中，例如热交换器、散热器。TPMS 结构在3D打印骨科植入物中的应用，为通过增材制造提升骨科植入物的寿命提供了新的设计优化思路。
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近日，Journal of Advanced Ceramics 期刊中发表了“3D-printed strontium-incorporated β-TCP bioceramic triply periodic minimal surface scaffolds with simultaneous high porosity, enhanced strength, and excellent bioactivity” 一文。
论文链接：
https://www.sciopen.com/article/10.26599/JAC.2023.9220787
研究背景
由于肿瘤、创伤、感染等导致的骨缺损是临床中的常见病，自体骨移植往往存在免疫排斥的问题，通过组织工程的手段在缺损区放置生物活性支架促进骨再生具有良好的发展前景，因此研发具有优良力学性能、生物活性的支架材料是当前的研究热点。β-磷酸三钙 (β-tricalcium phosphate, β-TCP) 生物陶瓷支架是常用的骨修复材料之一，但是其面临力学强度不足、生物活性欠佳等问题限制其广泛应用。锶元素是一种同时具有促进成骨和抑制破骨能力的功能性元素，通过在生物材料中添加锶元素可以有效提高材料的骨再生能力。此外，骨修复支架对于力学强度的要求也较高，三周期极小曲面结构 (triply periodic minimal surface, TPMS) 是一种源自于自然界的仿生结构，其孔隙率高，且零曲率曲面能够有效分散应力以提高材料的压缩强度。因此，通过掺锶和TPMS结构设计两方面的改良有望提高β-TCP骨修复支架的力学强度和成骨性能。
同时，为实现高精度、低成本的快速生产，该研究拟采用数字光处理 (digital light processing, DLP) 3D打印技术制备具有TPMS结构的5 mol% 掺锶β-TCP生物陶瓷支架 (Sr-TCP)，以同时获得高孔隙率、高强度和高生物活性。
研究过程与结果概述
研究团队首先通过体式显微镜和扫描电镜对材料的宏观和微观形貌进行观察，通过能谱仪分析材料表面元素分布，接着测量材料的压缩强度；在材料的生物安全性评价方面，采用细胞增殖实验、活死细胞染色、鬼笔环肽染色等方式对细胞活性和形态进行评估，最后通过碱性磷酸酶染色和PCR实验分别从蛋白和基因两个角度评价其成骨能力。
研究结果表明DLP 3D打印技术可以精准再现TPMS结构，Sr-TCP骨修复支架外观为孔隙相互连通的TPMS结构，孔隙率可达80%，扫描电镜下可清晰观察到浆料层层堆叠的精细结构，能谱仪结果显示支架表面锶、钙、磷元素均匀分布；该支架压缩强度可达1.44 MPa，与TPMS结构连续的零曲率曲面有关，可有效分散应力集中、提高强度。
体外细胞增殖实验、活死染色等结果显示Sr-TCP具有良好的生物相容性，对于MC3T3-E1细胞增殖有明显促进作用，细胞呈现伸展状；此外，碱性磷酸酶染色、PCR实验等证实掺入锶元素后可显著提高磷酸钙的成骨性能，表明适宜浓度的锶元素和钙元素具有协同促进骨再生的作用。
综上，这项研究首次将TPMS结构与掺锶β-TCP生物陶瓷支架相结合，并通过DLP 3D打印技术实现精准加工，制备出同时具备高孔隙、高强度、高生物活性的骨修复支架，为临床骨缺损的修复提供新的策略。
来源 l 特陶人
论文引用信息：
Shan Y, Bai Y, Yang S, et al. 3D-printed strontium-incorporated β-TCP bioceramic triply periodic minimal surface scaffolds with simultaneous high porosity, enhanced strength, and excellent bioactivity. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(9): 1671-1684. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220787
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