13–93 生物活性玻璃与混合支架用于骨再生的比较机械表征

为何新的骨修复材料很重要

当事故或疾病导致大段骨组织丢失时，外科医生常常难以同时恢复骨的强度与柔韧性。来自患者自身的传统自体移植数量有限，许多人造植入体要么过于脆弱，要么不能有效促进新骨生长。本研究比较了两种可以 3D 打印并植入骨缺损内的微型、海绵状“支架”，探讨哪种设计在强度、柔韧性和支持愈合能力之间更为平衡。

两种微型骨支撑结构

研究者关注的是圆柱形支架，每个宽度仅几毫米，由重复的细杆和孔隙网络构成。一种由坚硬的生物活性玻璃制成，这种材料以能与骨牢固结合著称，但容易开裂。另一种是混合材料，将类玻璃成分与长链聚合物融合，赋予其更像橡胶的柔韧性。两种支架均采用相同的 3D 打印方法制造，因此性能差异主要可归因于材料本身而非打印工艺。

窥探支架内部结构

研究团队使用高分辨率 X 射线显微计算机断层扫描（micro-CT），将打印件的内部结构三维重建。玻璃支架呈高度有序的格栅状，具有相对较大且间距均匀的通道。相比之下，混合支架的细杆更厚且规则性较差，孔隙网络更为纠结，类似天然海绵状骨。两种设计都保留了大量互通的开放空间，便于细胞和血管穿行，孔径均高于通常认为有利于骨向内生长的阈值。

在压力下的表现

随后将支架置于机械测试机中压缩，以模拟其在体内所承受的载荷。玻璃版本在断裂前能抵抗更高的力，并且明显更刚硬，但在约 2% 应变时就发生断裂，表现得很像脆性陶瓷。混合支架的峰值承载稍低，但能伸长至约 7% 应变，在断裂前吸收的能量约为玻璃的三倍。在重复载荷测试中，混合件在十个循环后呈现出更稳定的响应，表明它们像活骨一样能适应持续的应力。

追踪内部受力

为了解内部应力如何积聚，研究者将三维 X 光数据转成计算机模型并进行了虚拟压缩试验。模拟显示，在玻璃支架中，应力和应变在细杆连接处急剧集中，凸显了可能发生裂纹的起始点。而在混合支架中，力更均匀地分布在不规则网络中，局部拉伸更大但峰值应力显著较低。这种模式表明结构变形更温和，不太可能发生突发性、灾难性的断裂。

对未来骨修复的意义

对患者而言，关键结论是不同的支架材料可能适用于不同的临床需求。玻璃支架提供更高的初始刚度，可能有助于承受苛刻负荷的位置，但其脆性限制了可安全容许的活动范围。混合支架更柔软但更具韧性，其弯曲与恢复能力更接近天然骨，在反复载荷与逐渐愈合的情形下是有力的候选。通过结合详细成像、力学测试与计算建模，本研究为调控支架设计提供了路线图，便于未来植入体更好地匹配真实骨组织的复杂力学行为。

引用: Liu, J., Chen, J., Heyraud, A. et al. Comparative mechanical characterisation of 13–93 bioactive glass and hybrid scaffolds for bone regeneration. Sci Rep 16, 15905 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46620-9

关键词: 骨支架, 生物活性玻璃, 3D 打印, 混合生物材料, 骨再生