人體骨組織由不規則幾何微結構的骨小梁和皮質骨薄殼組成，在日常生活中應對各種生理負荷時表現出優異的應力分布和負荷傳遞功能，具有更強的靈活性。

由于長期復雜力學環境的影響，原生骨組織的各向異性特性是為了最大限度地提高主承載方向上的剛度和強度，同時使骨量盡可能低。對于因腫瘤或外傷導致骨缺損的患者，通過模仿骨組織的力學特性而獲得的骨替代物通常用于功能性骨重建和疼痛緩解。

在許多研究中，對各種骨代用品的力學和生物學性能進行了的比較，并通過材料的開發和微結構的設計進一步探索了更全面的功能修復。

此外，3D打印技術使材料的制造具有可控的孔隙度和微結構，這在宏觀和微觀尺度上拓寬了設計的自由度，這使得3D打印骨替代品更受歡迎。骨科中的金屬多孔植入物具有低彈性模量和高屈服強度，同時具有避免應力屏蔽的潛力，因此與更好的骨骨整合和長穩定性和壽命相關。

然而，由于多孔形狀和幾何尺寸的影響，多孔結構在力學性能上呈現各向異性的差異。天然骨與假體微觀結構的各向異性對比研究尚少，難以指導具有類似天然骨各向異性的多孔假體的設計。

采用增材制造制造的多孔骨替代品為模擬具有復雜結構和優良性能的天然骨提供了機會。然而，微觀結構與宿主骨之間的各向異性差異尚不清楚，其與設計各向異性可控的微觀結構的數學關系尚未建立。

廣東佛山季華實驗室康建峰博士團隊聯合西安交通大學械制造系統工程國家重點實驗室董恩純博士、董雙鵬博士、張晨博士、王玲教授、李滌塵教授團隊針對這一問題，利用廣義胡克定律，利用有限元方法和規劃方法，建立了微觀結構各向異性的數值計算方法。

分析了四個多孔單元的有效模量表面的三維空間分布。建立了各向異性系數與幾何參數之間的映射關系。最后，系統地研究了各向異性的比較。過調整幾何尺寸可以控制模量各向異性，揭示了由材料分布引起的模量空間分布的響應機制。

▲論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127520301428

結論

本研究系統比較了孔隙結構與人體骨骼之間的各向異性差異，表明這些差異是可調節的，并與孔隙形態和幾何特征密切相關。

盡管傳統的多孔假體設計是通過保證與天然骨相似的模量，各向異性的顯著影響需要得到充分的重視。

為了設計具有可控各向異性的多孔假體，研究提供了兩種策略:

1)具有相似力學性能和陣列操作的單一基格.

2)沿不同空間方向具有互補剛度的不同基格組合。幸運的是，為每個多孔結構建立的數學關系對實現上述目標起著關鍵作用。

此外，以大段骨缺損修復為例（圖5），這些多孔支架是基于宿主骨的力學性能進行設計和優化的，但不同的假體微結構表現出不同的力學行為能力。

多孔支架的優化結果表明，在缺陷的背側/內側位置發現了最大的支柱直徑，而在中心位置發現了最小的支柱直徑。

由OGC單元各向異性與支撐桿直徑的正相關關系可知，隨著支撐桿直徑由中心向外徑向增加，微結構各向異性逐漸增大，達到各向同性。多孔支架的各向異性在橫截面上的分布與天然股骨相似。

同時，該結果也強調了研究和比較不同場景(壓縮、彎曲和扭轉)以及復雜生物力學載荷的必要性，以深刻表征不同的支架設計。

因此，微觀結構的各向異性評價不應被忽視，多孔植入物微觀結構的各向異性優化將有利于提高安全性。

承重多孔植入物的成功在很大程度上取決于其促進骨整合和模擬天然骨力學行為的能力。然而，大多數對植入物微觀結構的設計和優化很少關注各向異性的影響，這確實是不可或缺的。

在本研究中，基于四種不同類型的多孔晶格和原生骨進行了各向異性特征的評估。

可以得出結論，開發了多孔結構模量各向異性的數值方法，有效地表征了模量和各向異性程度的空間分布。幾何參數與各向異性系數之間的映射關系為建立了各向異性的可控性。

并揭示了固體材料分布引起的模量空間分布的響應機制。雖然與骨小梁孔隙率相似的多孔結構彈性模量接近于骨皮質，但所有多孔結構的最高模量與最低模量之比都在1.6 ~ 2.4范圍內，這表明對模量的準確評價以及各向異性對使用性能的影響是必要的。

系統比較了天然骨與多孔結構的各向異性差異，為結合3D打印技術制造的定制梯度多孔結構的骨科植入物的設計奠定基礎。