《Medicine in Novel Technology and Devices》：Geometry driven fluid dynamics and cytocompatibility of 3D printed TPMS bone scaffolds
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本研究针对传统骨植入物在生物整合与力学匹配上的不足，巧妙融合计算流体动力学（CFD）、激光粉末床熔融（L-PBF）和体外细胞实验，系统评估了四种不同拓扑结构（SSC、LSC、GSC、DSC）的Ti6Al4V三周期极小曲面（TPMS）支架。研究发现，Schwartz Primitive（SSC）结构在渗透性、流体混合及细胞活力方面均表现优异，为设计兼具优异力学支撑与高效营养输送性能的下一代个性化骨科植入物提供了关键的几何学依据。
骨骼作为我们身体的“承重墙”，其修复与再生一直是医学和工程学共同面对的挑战。当大块骨缺损发生时，传统的金属植入物（如不锈钢、钛合金）虽然能提供足够的强度，但它们往往过于“刚硬”和“均质”，与原生松质骨（trabecular bone）的复杂多孔结构格格不入。这种不匹配可能导致“应力屏蔽”（stress shielding），即植入物承担了大部分力学负荷，导致周围骨骼因缺乏必要刺激而退化。更关键的是，传统植入物的光滑、致密表面不利于新骨组织的长入（osseointegration），影响植入物的长期稳定性和功能。因此，科学家们一直致力于设计一种既能承受力学负荷，又能像天然骨骼一样，允许血液、营养物质和细胞在其中自由穿行的“活性”植入物。近年来，一种从数学领域“降维打击”而来的结构——三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surfaces, TPMS），因其能完美模拟天然骨小梁的复杂、互连多孔网络，而成为骨支架设计的明星拓扑结构。TPMS结构就像一个在三维空间无限延伸、表面积最小的“海绵”，它拥有高比表面积、可调的孔隙率和完全贯通的孔道，理论上能为细胞提供理想的生长微环境。然而，一个核心问题悬而未决：不同的TPMS几何形状（如原始的Schwarz P、Gyroid、Diamond等）是如何具体影响流体（如血液、组织液）在支架内部的流动、进而影响营养输送、细胞附着乃至支架自身降解的？这正是本篇发表于《Medicine in Novel Technology and Devices》的研究所要回答的关键科学问题。为了深入探究TPMS几何形状如何调控其生物学功能，研究人员开展了一项跨学科的系统性研究。他们选取了四种典型的TPMS架构——Schwartz Primitive (SSC)、Lidinoid (LSC)、Gyroid (GSC) 和 Diamond (DSC)，均设计为60%的孔隙率，并使用激光粉末床熔融（L-PBF）技术以Ti6Al4V合金（一种生物相容性优异的钛合金）精确制造。研究通过计算流体动力学（CFD）模拟分析了不同流速下支架的渗透性和内部流场，通过体外细胞实验（MTT法和免疫荧光成像）评估了其细胞相容性，并通过在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中的浸泡实验监测了其质量损失和pH变化，从而建立了“几何-流动-生物性能”之间的量化关联。
研究主要采用了以下几种关键技术方法：1. TPMS支架设计与增材制造：使用nTop软件隐式建模生成四种60%孔隙率的TPMS几何结构，并通过激光粉末床熔融（L-PBF）技术使用Ti6Al4V粉末进行高精度打印，随后进行应力消除热处理和线切割分离。2. 计算流体动力学（CFD）模拟：对完整尺寸的支架模型进行三维CFD模拟，在0.001-0.01 m/s的生理相关流速范围内，采用层流模型和SIMPLE算法求解，计算各结构的渗透性并可视化内部流场。3. 体外细胞相容性评估：使用人骨肉瘤细胞系（U-2OS），通过MTT比色法检测经不同支架材料浸提液处理1天和7天后的细胞活性，并通过免疫荧光染色（ActinRed?/NucBlue?）观察细胞在支架表面的粘附和形态。4. 体外降解行为分析：将支架浸入37°C的PBS缓冲液中长达14天，定期测量质量损失和溶液pH值，以评估其化学稳定性。
研究结果通过一系列详实的数据揭示了TPMS几何形状的深刻影响：
3.3. 支架渗透性
CFD模拟结果显示，所有支架的渗透性均随入口流速增加而降低，呈现稳定的反比关系（R2> 0.99）。在低流速（0.001 m/s）下，SSC结构表现出最高的渗透性（4.29 × 10-9m2），而DSC结构最低（1.97 × 10-9m2）。这表明，在相同孔隙率下，SSC更开放、更对齐的孔道网络提供了最小的流动阻力，有利于营养物质和废物的高效运输。
3.4. 支架流动动力学
中平面速度云图和矢量图进一步揭示了内部流场的细节。SSC结构内部形成了明显的涡旋和交叉流区域，这种局部的“搅拌”效应能增强流体混合，有利于营养物质的均匀分布，防止形成缺氧核心。而DSC结构因其曲折的路径，流动连续性受限，速度变化平缓。速度剖面图显示，SSC结构在孔喉处具有最高的峰值速度，再次印证了其优越的流体输送能力。
3.5. 支架细胞相容性与粘附
MTT细胞活性实验表明，所有TPMS支架在1天和7天后均保持了高细胞活性（>85%）。值得注意的是，SSC支架的细胞活性在7天时显著提升至121.4 ± 6.2%，显示出良好的生物相容性。LSC支架则在整个实验期间表现出最稳定的活性（101.8 ± 7.7%）。免疫荧光图像证实，U-2OS细胞在所有支架表面均能粘附和铺展，其中GSC和DSC支架支持了更均匀的细胞骨架延伸和与孔隙的整合。
3.6. 降解与pH分析
在PBS中的降解实验显示，所有支架在14天内质量损失均较小（<5%）。DSC结构因具有更大的比表面积，在第7天时质量损失最高（4.42%）。pH监测发现，所有支架组的PBS pH值在实验期间变化轻微（7.3-7.55之间），保持在生理兼容范围内，表明材料降解过程中离子释放温和，不会引起显著的环境酸化或碱化。
研究的结论与讨论部分系统性地总结了上述发现的意义。本研究通过集成CFD模拟、先进制造和体外生物学评估，有力地证明了TPMS支架的拓扑结构是其生物学功能的关键决定因素。在四种结构中，Schwartz Primitive (SSC) 架构脱颖而出，成为最有前景的候选者：它结合了最高的固有渗透性、促进流体混合的内部流场、随时间显著改善的细胞活性以及可控的降解行为。其相对开放的通道和较大的可接触孔径（可达440 μm）有利于深层细胞定植和血管化。相比之下，DSC结构虽然支持良好的细胞铺展，但其较低的渗透性和较高的降解速率可能限制其在某些高力学和低流速环境下的应用。这项研究的重要意义在于，它超越了以往仅关注孔隙率和力学性能的支架设计范式，将“几何驱动的流体动力学”确立为评估和优化骨支架性能的核心维度。它提供了一个基于CFD预测的框架，可以在制造实物之前，筛选出在营养输送和细胞微环境营造方面最优的几何设计，从而实现从“经验设计”到“功能驱动设计”的转变，为开发下一代个性化、生物智能型骨科植入物奠定了坚实的科学基础。论文也指出了当前研究的局限性，如CFD模型中缓冲区设置较小可能影响边界效应、未进行瞬态流分析、以及缺乏离子释放的定量数据等，为未来更深入的研究指明了方向。
