隨著醫療健康需求的持續增長，骨組織修復與再生成為生物醫學工程領域的重要挑戰。作為人體主要的承重器官，骨骼不僅需要滿足復雜的力學支撐要求，同時也承擔著活躍的生物學功能，如細胞黏附、血管生成和組織修復。傳統金屬植入體雖然具有優異的力學性能和生物相容性，但因其致密結構和高剛度，常導致應力屏蔽、骨吸收以及生物整合不足等問題，影響長期臨床效果。近年來，金屬增材制造（AM）技術的興起，使得構建具有精確孔隙結構的多孔骨植入體成為可能，不僅能夠調控植入體的彈性模量和力學分布，還能為細胞活動和血管生成提供理想微環境，展現出巨大的應用潛力。
        盡管增材制造多孔植入體在生物力學和力學生物學性能提升方面已取得積極進展，但在實現真正高性能、長壽命植入體的道路上仍面臨諸多關鍵挑戰。本綜述系統探討以下三大關鍵問題：（a）多孔結構在提升植入體生物力學穩定性中的作用，包括優化應力分布、降低應力屏蔽、增強疲勞耐久性和維持承載能力；（b）多孔結構在促進細胞附著、增殖與骨組織生長中的力學生物學機制，以及在促進骨整合與長期再生中的關鍵作用；（c）如何在設計中權衡結構完整性與生物功能性之間的矛盾，制定兼顧力學與生物性能的優化策略。希望通過系統梳理關鍵因素與設計原則，為基于增材制造的多孔骨植入體開發提供理論指導與應用參考，推動該領域邁向更高水平的臨床轉化與實踐應用。
 

1. 多孔骨植入體的設計原則與策略
      首先圍繞承重多孔骨植入體的設計需求，系統總結了制造可行性、力學穩定性與生物相容性三大基本設計原則，并深入分析了孔隙率、孔徑、孔形及材料特性等關鍵變量的調控策略，討論了基于TPMS、梯度多孔、拓撲優化等先進方法的設計進展，為實現仿生性能優化提供了系統思路。
 

2. 多孔植入體的生物力學性能優化
針對承重應用對植入體力學性能的苛刻要求，綜述重點討論了彈性模量匹配、應力分布優化、疲勞性能提升及骨固定與長期穩定性的研究進展，闡明了不同孔隙設計對力學行為的調控機制，并梳理了利用有限元分析與拓撲優化輔助設計的最新成果。
 

3. 多孔植入體的力學生物學作用機制
從細胞層面和組織層面出發，系統探討了多孔結構在植入后調控血管生成、模仿細胞外基質（ECM）微環境、促進細胞粘附、遷移與分化等生物過程的機理。進一步指出了孔徑、孔連通性與表面功能化等微結構特征在力學生物學信號傳遞過程中的關鍵作用。
 

4. 挑戰與未來發展方向
最后，綜述總結了當前增材制造多孔植入體在設計、制造與臨床轉化過程中面臨的主要挑戰，包括力學-生物性能平衡、多尺度結構優化、長周期疲勞可靠性驗證及個性化定制需求。展望了未來通過多材料打印、智能響應微結構與機器學習輔助設計等新興技術，推動該領域持續突破。
 

      本綜述圍繞增材制造承重多孔骨植入體，從生物力學與力學生物學兩大視角系統梳理了最新研究進展，總結了關鍵設計策略與未來發展趨勢，旨在為高性能骨植入體的設計優化、智能制造及臨床應用提供理論支持與實踐指導。相關論文以 “Biomechanics and Mechanobiology of Additively Manufactured Porous Load〣earing Bone Implants” 為題，發表在期刊《Small》上，寧波大學金育安教授為第一作者兼通訊作者，浙江大學賀永教授擔任共同通訊作者。該論文得到了國家自然科學基金和寧波市青年科技領軍人才項目的資助。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202409955

(責任編輯：admin)

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