《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Biomimetic Bone-Matching DLP-Printed Gradient TPMS Ceramic Implants
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王斌|严秉坤|刘双|李秋义|赵玉水|张丽芳
，山东大学附属儿童医院（济南儿童医院），中国山东省济南市250022
摘要
目的
为了克服均质骨植入物的应力屏蔽效应，本研究通过数字光处理（DLP）技术制备了具有50–80%孔隙率梯度的三周期性最小表面（TPMS）支架，模拟了皮质骨
王斌|严秉坤|刘双|李秋义|赵玉水|张丽芳
，山东大学附属儿童医院（济南儿童医院），中国山东省济南市250022
摘要
目的
为了克服均质骨植入物的应力屏蔽效应，本研究通过数字光处理（DLP）技术制备了具有50–80%孔隙率梯度的三周期性最小表面（TPMS）支架，模拟了皮质骨向松质骨的机械过渡特性。
方法
设计了五种具有梯度/均匀孔隙率的TPMS拓扑结构（Gyroid、Schwarz、Diamond、Lidinoid、Split-P）。Zirconia支架经过DLP打印、烧结后，通过压缩测试、CFD模拟和体外细胞相容性检测（CCK-8/活死染色）进行评估。数据采用单因素方差分析（α=0.05）进行处理。
结果
梯度Diamond支架表现出更高的压缩强度（215.7 ±8.3 MPa）和弹性模量（4.2 ±0.2 GPa），显著优于其他组（P=0.002）。其渗透率比均匀设计高出25%，且流体剪切应力最佳（0.5–3 Pa）。第7天时，细胞增殖达到对照组的150 ±8%，存活率超过95%。
结论
本研究通过数字光处理技术制备了具有梯度机械特性的仿生Diamond拓扑陶瓷植入物。其弹性模量（4.2 GPa）与天然骨相匹配，有效减轻了应力屏蔽效应。优化的多孔结构增强了营养物质的传输和细胞黏附，显示出作为下一代植入物的强劲潜力，有望改善牙齿和颅颌面骨修复的长期稳定性。需要进一步的深入生物学评估和机械疲劳测试，以将这一潜力转化为临床应用。
部分摘要
临床意义
本研究提出了一种临床可行的策略，通过数字光处理（DLP）技术制备仿生梯度三周期性最小表面（TPMS）Zirconia植入物，以解决应力屏蔽问题——这是导致植入物周围骨丢失的主要原因。梯度Diamond拓扑结构表现出卓越的综合性性能，压缩强度为215.7 ±8.3 MPa，弹性模量为4.2 ±0.2 GPa。该弹性模量有效结合了皮质骨和松质骨的硬度特征。
引言
口腔和颅颌面骨缺损的重建是现代牙科和颅颌面再生医学的核心，因为它不仅涉及解剖轮廓的恢复，更重要的是恢复咬合功能和长期稳定性。[1] 成功的骨整合要求植入物具备多种仿生特性：优异的生物相容性是基本前提，而结构和机械特性的模仿则是关键。
梯度TPMS植入物的设计与数值模拟
基于三周期性最小表面（TPMS）的数学定义，本研究采用参数化建模方法构建了五种拓扑结构的牙科植入物模型（Gyroid、Schwarz、Diamond、Lidinoid、Split-P）。为了模拟天然下颌骨从皮质骨到松质骨的机械梯度，每种拓扑结构设计了两种配置：均匀多孔模型和梯度多孔模型（图2）。分级模型的孔隙率存在差异
梯度TPMS植入物的制备与宏观/微观结构
通过数字光处理（DLP）技术成功制备了五种具有不同拓扑结构的Zirconia陶瓷植入物（Gyroid、Schwarz、Diamond、Lidinoid、Split-P）。图2展示了均匀和梯度设计模型。宏观观察（图3）证实所有打印出的绿色部件都保持了结构完整性和尺寸精度，与设计模型高度一致。烧结样品保持了出色的几何稳定性
讨论
本研究系统评估了均匀和梯度TPMS Zirconia支架的机械和生物性能。最重要的发现是梯度Diamond结构表现出卓越的综合性性能，其压缩强度最高，弹性模量接近皮质骨，细胞相容性也非常优异。通过孔隙率测量（表1）确认，所有支架类型的孔隙率均保持一致
结论
本研究使用数字光处理（DLP）技术制备了具有仿生梯度结构的三周期性最小表面（TPMS）Zirconia植入物。结果表明，梯度Diamond结构在整体性能上最优越，压缩强度为215.7 ±8.3 MPa，弹性模量为4.2 ±0.2 GPa，显著优于其他拓扑结构（P=0.002）。有限元分析进一步证实了这一结论
CRediT作者贡献声明
严秉坤：资金获取、正式分析。刘双：方法学研究。李秋义：资源协调、项目管理。赵玉水：监督、软件使用。张丽芳：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。王斌：数据整理、概念构思
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
