亲水性Gyroid结构种植体的制备及力学性能分析

doi:10.12307/2025.448

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (16): 3343-3350.doi: 10.12307/2025.448

• 组织工程口腔材料 tissue-engineered oral materials • 上一篇下一篇

亲水性Gyroid结构种植体的制备及力学性能分析

闫星华，王心彧，刘苗，韩泽奎，宋颐函，张岩，孙子惠

佳木斯大学口腔医学院，佳木斯大学附属口腔医院，黑龙江省口腔生物医学材料及临床应用重点实验室，佳木斯大学口腔医学工程实验中心，黑龙江省佳木斯市 154002

收稿日期:2024-04-08 接受日期:2024-06-17 出版日期:2025-06-08 发布日期:2024-09-02
通讯作者: 王心彧，硕士，副主任医师，硕士生导师，佳木斯大学口腔医学院，佳木斯大学附属口腔医院，黑龙江省口腔生物医学材料及临床应用重点实验室，佳木斯大学口腔医学工程实验中心，黑龙江省佳木斯市 154002 刘苗，硕士，主任医师，硕士生导师，佳木斯大学口腔医学院，佳木斯大学附属口腔医院，黑龙江省口腔生物医学材料及临床应用重点实验室，佳木斯大学口腔医学工程实验中心，黑龙江省佳木斯市 154002
作者简介:闫星华，女，1997年生，山西省晋中市人，汉族，佳木斯大学在读硕士，医师，主要从事口腔种植修复相关技术研究。
基金资助:
黑龙江省教育厅基本科研业务费基础研究项目(2022-KYYWF-0645)，课题名称：仿生多孔牙种植体系统研发，项目负责人：张岩

Preparation and mechanical property analysis of hydrophilic Gyroid structure implant

Yan Xinghua, Wang Xinyu, Liu Miao, Han Zekui, Song Yihan, Zhang Yan, Sun Zihui

School of Stomatology, Jiamusi University, Stomatological Hospital Affiliated to Jiamusi University, Key Laboratory of Oral Biomedical Materials and Clinical Applications of Heilongjiang Province, Experimental Center of Oral Medicine Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154002, Heilongjiang Province, China

Received:2024-04-08 Accepted:2024-06-17 Online:2025-06-08 Published:2024-09-02
Contact: Corresponding author: Wang Xinyu, Master, Associate chief physician, Master’s supervisor, School of Stomatology, Jiamusi University, Stomatological Hospital Affiliated to Jiamusi University, Key Laboratory of Oral Biomedical Materials and Clinical Applications of Heilongjiang Province, Experimental Center of Oral Medicine Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154002, Heilongjiang Province, China Corresponding author: Liu Miao, Master, Chief physician, Master’s supervisor, School of Stomatology, Jiamusi University, Stomatological Hospital Affiliated to Jiamusi University, Key Laboratory of Oral Biomedical Materials and Clinical Applications of Heilongjiang Province, Experimental Center of Oral Medicine Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154002, Heilongjiang Province, China
About author:Yan Xinghua, Master candidate, Physician, School of Stomatology, Jiamusi University, Stomatological Hospital Affiliated to Jiamusi University, Key Laboratory of Oral Biomedical Materials and Clinical Applications of Heilongjiang Province, Experimental Center of Oral Medicine Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154002, Heilongjiang Province, China
Supported by:
Basic Research Project of Basic Scientific Research Business Expenses of Heilongjiang Provincial Department of Education, No. 2022-KYYWF-0645 (to ZY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
Gyroid结构：是基于三周期极小曲面的一种复杂三维结构，具有高度异质性、高度连通性、较大的比表面积和优异的力学性能。有研究认为Gyroid结构有利于成骨细胞渗透、骨组织向内生长和缓解应力屏蔽效应，因此，Gyroid结构被认为是适合作为多孔结构骨植入物基本单元的一种结构。
亲水性：是物质与水或极性分子液体之间相互吸引的能力。表面良好的亲水性可以使液体在物质表面快速接触和扩散。研究显示，具有亲水性表面的骨植入物材料可以促进成骨细胞的黏附增殖及骨组织的再生修复。

背景：传统实心钛合金种植体的弹性模量高于人骨，由此引起的“应力屏蔽”现象可能会影响种植体的骨结合，同时3D打印钛合金表面的亲水性有待提高。
目的：制备生物力学性能优良的亲水性Gyroid结构种植体。
方法：建立Gyroid结构种植体、实心结构种植体、下颌骨骨块和牙冠的3D模型，对不同结构种植体的力学性能进行有限元分析。将Gyroid结构种植体模型导入3D打印机，使Gyroid结构种植体实体化，然后对种植体表面依次进行喷砂酸蚀和紫外光功能化处理，制备具有优良力学性能和表面活性的亲水性Gyroid结构种植体。通过扫描电镜和接触角测试分析3D打印Ti6Al4V试件表面改性处理前后的形貌与亲水性。
结果与结论：①有限元分析结果显示，在垂直向平均咬合力作用下，Gyroid结构可以将作用于种植体上的载荷均匀分散到整个结构中，实心结构种植体上的载荷只能分散在其外表面并集中于颈部；Gyroid结构种植体受到的最大等效应力为200.67 MPa，不超过Ti6Al4V材料屈服强度的50%；Gyroid结构种植体对周围骨组织的最大等效应力为24.27 MPa，略高于实心结构种植体的最大等效应力17.32 MPa，并且在20-60 MPa区间内，Gyroid结构种植体对新骨形成的刺激效果优于实心结构种植体。②3D打印技术可以将Gyroid结构种植体模型实体化，扫描电镜下可见3D打印Ti6Al4V试件表面有许多未熔融的球形金属颗粒，经喷砂酸蚀后表面形成微米级网状孔洞结构，已不见凸出的金属颗粒，紫外光功能化处理+喷砂酸蚀处理的试件表面形貌与喷砂酸蚀组基本一致；接触角测试结果显示，紫外光功能化处理+喷砂酸蚀处理后的试件表面亲水性优于喷砂酸蚀处理组与无表面处理组。③喷砂酸蚀处理可以去除3D打印试件上弱连接的金属颗粒，提高实体模型与设计模型的相似性，在此基础上进行紫外光功能化处理可以显著提高3D打印Gyroid结构种植体的亲水性且不影响其结构。
https://orcid.org/0009-0003-1623-7133 (闫星华)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 三周期极小曲面, Gyroid结构, 应力屏蔽, 表面改性, 3D打印, 紫外光功能化

Abstract: BACKGROUND: The elastic modulus of traditional solid titanium alloy implants is higher than that of human bone, and the resulting “stress shielding” phenomenon may affect the osseointegration of implants. Simultaneously, the wettability of 3D printed titanium alloy surface needs to be improved.
OBJECTIVE: To prepare hydrophilic Gyroid implants with excellent biomechanical properties.
METHODS: The 3D models of Gyroid implant, solid implant, mandibular bone and crown were established, and the mechanical properties of different implants were analyzed by finite element analysis. The Gyroid structure implant model was imported into the 3D printer to make the Gyroid structure implant materialized, and then the hydrophilic Gyroid structure implant with excellent mechanical properties and surface activity was prepared by sandblasting acid etching and ultraviolet functionalization. The morphology and hydrophilicity of 3D printed Ti6Al4V specimens before and after surface modification were analyzed by scanning electron microscopy and contact angle test.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The finite element analysis results showed that under the vertical average bite force, the Gyroid structure could uniformly disperse the load acting on the implant into the entire structure. The load on the solid structure implant could only be dispersed on its outer surface and concentrated in the neck. The maximum equivalent stress of the Gyroid structure implant was 200.67 MPa, which did not exceed 50% of the yield strength of Ti6Al4V material. The maximum equivalent stress of the Gyroid structure implant on the surrounding bone tissue was 24.27 MPa, which was slightly higher than the maximum equivalent stress of the solid structure implant 17.32 MPa, and in the range of 20-60 MPa. The stimulation effect of the Gyroid structure implant on new bone formation was better than that of the solid structure implant. (2) The 3D printing technology could materialize the Gyroid structure implant model. Scanning electron microscopy showed that there were many unmelted spherical metal particles on the surface of the 3D printed Ti6Al4V specimens. After sandblasting and acid etching, a micron-scale mesh pore structure was formed on the surface, and no protruding metal particles were seen. The surface morphology of the superimposed UV functional treatment group was basically consistent with that after sandblasting and acid etching. The contact angle test results showed that the surface hydrophilicity of the specimens treated with ultraviolet functionalization plus sandblasting and acid etching was better than that of the sandblasting and acid etching and non-surface treatment groups. (3) The sandblasting and acid etching technology can remove the weakly connected metal particles on the 3D printed specimen and improve the similarity between the solid model and the design model. On this basis, the ultraviolet functionalization treatment can significantly improve the hydrophilicity of the 3D printed Gyroid structure implant surface without affecting its structure.

Key words: three-periodic minimal surface, Gyroid structure;, stress shielding, surface modification, 3D printing, ultraviolet functionalization

中图分类号:

闫星华, 王心彧, 刘苗, 韩泽奎, 宋颐函, 张岩, 孙子惠. 亲水性Gyroid结构种植体的制备及力学性能分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(16): 3343-3350.

Yan Xinghua, Wang Xinyu, Liu Miao, Han Zekui, Song Yihan, Zhang Yan, Sun Zihui. Preparation and mechanical property analysis of hydrophilic Gyroid structure implant[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(16): 3343-3350.

图/表（结果） 5

2.1 有限元分析结果
2.1.1 不同结构种植体的等效应力分布如图3所示，
Gyroid结构种植体和实心结构种植体的等效应力最大值分别为200.67 MPa和60.424 MPa，在垂直向平均咬合力作用下，实心结构种植体的等效应力主要集中在颈部和第一、二圈螺纹处，应力分布范围最远至第五和第六螺纹之间。Gyroid结构种植体的等效应力则在内部孔隙中较为均匀地分布，应力分布范围最远至第七和第八螺纹之间，Gyroid结构种植体比实心结构种植体具有更好的应力分散能力。

2.1.2 不同结构种植体受力时周围骨组织的等效应力如图4所示，在垂直向平均咬合力用下，Gyroid结构种植体和实心结构种植体作用在周围骨组织上的最大等效应力分别是24.27 MPa和17.32 MPa。实心结构种植体的骨应力峰值较小，Gyroid结构种植体的骨应力峰值较大，传导效率更高。从颌骨截面视图和颌骨顶视图观察，实心结构种植体作用在周围骨组织上的应力分布范围均略大于Gyroid结构种植体，这是Gyroid结构种植体在初期与骨组织的接触面积相对较小导致。

2.2 3D打印Gyroid结构种植体及表面改性表征结果
2.2.1 3D打印及表面处理大体观察如图5所示，通过3D打印技术可以将Gyroid结构种植体模型转化为实体件，并且实体Gyroid结构种植体与3D模型设计差异不大，但由于3D打印机精度限制及部分Ti6Al4V粉末熔融不彻底，使得实体Gyroid结构种植体的部分微小孔隙和螺纹附近的结构不太清晰。经表面改性处理后的试件表面呈哑光色，孔隙结构比未经表面处理的试件更加清晰平滑，从底部可看到其内部螺旋形的Gyroid结构。

2.2.2 表面处理前后3D打印Ti6Al4V试件表面形貌观察扫描电镜下可见无表面处理组试样表面存在许多20-30 μm大小的未熔融的球形金属颗粒，金属颗粒周围有呈一定方向性的纹路；喷砂酸蚀处理组试样表面可以观察到酸蚀形成微米级网状孔洞结构，孔径范围在1-5 μm；喷砂酸蚀+紫外光功能化处理组试样表面形貌和喷砂酸蚀处理组基本一致，两组表面均无凸出的金属颗粒，整体较无表面处理组更加“平坦”，基底表面布满喷砂后留下坑洞，坑洞范围在20-30 μm，见图6。

2.2.3 表面处理前后3D打印Ti6Al4V试件表面亲水性检测未进行表面处理组、喷砂酸蚀处理组、喷砂酸蚀+紫外光功能化处理组试样表面的水接触角分别为(121.83±4.59)°，(45.81±5.13)°，(14.21±2.67)°，见图7。未进行表面改性组试样表面水接触角均大于90°，呈疏水性；经喷砂酸蚀处理后试样表面水接触角均小于90°，亲水性明显提高，呈亲水性；再在喷砂酸蚀处理的基础上进行紫外光功能化处理，试样表面亲水性进一步提高，表面亲水性显著优于喷砂酸蚀处理组和未进行表面处理组(P < 0.001)。

参考文献

[1] NIINOMI M, NAKAI M. Titanium-based biomaterials for preventing stress shielding between implant devices and bone. Int J Biomater. 2011;2011:836587.
[2] 王良涛,李珊,陆豆豆,等.基于正交试验梯度多孔牙种植体结构的设计研究[J].华西口腔医学杂志,2023,41(6):647-652．
[3] 张玲,李凯,潘庆,等.仿真“骨小梁”牙种植体的生物力学特征[J].中国组织工程研究,2017,21(26):4137-4142．
[4] 孙亚迪,马剑雄,王岩,等．三周期极小曲面骨支架微观结构对支架性能的影响研究进展[J].中国修复重建外科杂志,2023,37(10): 1314-1318．
[5] PUGLIESE R, GRAZIOSI S. Biomimetic scaffolds using triply periodic minimal surface-based porous structures for biomedical applications. SLAS Technol. 2023;28(3):165-182.
[6] MA S, TANG Q, HAN X, et al. Manufacturability, mechanical properties, mass-transport properties and biocompatibility of triply periodic minimal surface (TPMS) porous scaffolds fabricated by selective laser melting. Mater Des. 2020;195:109034.
[7] MAEVSKAIA E, GUERRERO J, GHAYOR C, et al. Triply periodic minimal surface-based scaffolds for bone tissue engineering: a mechanical, in vitro and in vivo study. Tissue Eng Part A. 2023;29(19-20):507-517.
[8] YÁNEZ A, CUADRADO A, MARTEL O, et al. Gyroid porous titanium structures: a versatile solution to be used as scaffolds in bone defect reconstruction. Mater Des. 2018;140:21-29.
[9] MIRZAALI MJ, MOOSABEIKI V, RAJAAI SM, et al. Additive manufacturing of biomaterials—design principles and their implementation. Materials. 2022;15(15):5457.
[10] WU J, ZHANG Y, LYU Y, et al. On the various numerical techniques for the optimization of bone scaffold. Materials. 2023;16(3):974.
[11] BANDYOPADHYAY A, MITRA I, AVILA JD, et al. Porous metal implants: processing, properties, and challenges. Int J Extreme Manuf. 2023; 5(3):32014.
[12] SHENG X, WANG A, WANG Z, et al. Advanced surface modification for 3D-printed titanium alloy implant interface functionalization. Front Bioeng Biotechnol. 2022;10:850110.
[13] YIN C, ZHANG T, WEI Q, et al. Surface treatment of 3D printed porous Ti6Al4V implants by ultraviolet Photofunctionalization for improved osseointegration. Bioact Mater. 2022;7:26-38.
[14] 孔亮,刘宝林,胡开进,等．螺纹种植体螺距的优化设计和应力分析[J].华西口腔医学杂志,2006(6):509-512+515．
[15] 李昕茹,赵文博,纪妍,等.不同螺纹种植体修复下颌第一磨牙即刻负荷的初始稳定性比较[J].中国组织工程研究,2024,28(22): 3445-3450．
[16] 吕虹雨,孙毅,李天佑,等.有限元分析不同材料对超短种植体的影响[J].口腔医学,2023,43(4):308-311,333．
[17] 周钰琳,毛志红,王琼瑶,等.牙科即刻种植中不同螺纹形态及深度设计参数种植体的生物力学性能[J].医用生物力学,2020,35(1): 95-100．
[18] PACHA-OLIVENZA MA, GALLARDO-MORENO AM, MÉNDEZ-VILAS A,
et al. Effect of UV irradiation on the surface gibbs energy of Ti6Al4V and thermally oxidized Ti6Al4V. J Colloid Interface Sci. 2008;320(1):
117-124.
[19] CHMIELEWSKA A, DEAN D. The role of stiffness-matching in avoiding stress shielding-induced bone loss and stress concentration-induced skeletal reconstruction device failure. Acta Biomater. 2024;173:51-65.
[20] RAFFA M L, NGUYEN V, HERNIGOU P, et al. Stress shielding at the bone-implant interface: influence of surface roughness and of the bone‐implant contact ratio. J Orthop Res. 2021;39(6):1174-1183.
[21] ZHANG C, ZENG C, WANG Z, et al. Optimization of stress distribution of bone-implant interface (BII). Biomater Adv. 2023;147:213342.
[22] 黄道宇.基于3D打印技术的多孔牙种植体制备及性能研究[D]. 上海:上海应用技术大学,2022.
[23] ZHU LY, LI L, SHI JP, et al. Mechanical characterization of 3D printed multi-morphology porous Ti6Al4V scaffolds based on triply periodic minimal surface architectures . Am J Transl Res. 2018;10(11): 3443-3454.
[24] WANG Z, LIAO B, LIU Y, et al. Influence of structural parameters of 3D‐printed triply periodic minimal surface gyroid porous scaffolds on compression performance, cell response, and bone regeneration. J Biomed Mater Res Part B. 2024;112(1):e35337.
[25] HAYASHI K, KISHIDA R, TSUCHIYA A, et al. Superiority of triply periodic minimal surface gyroid structure to strut-based grid structure in both strength and bone regeneration. ACS Appl Mater Interfaces. 2023; 15(29):34570-34577.
[26] 徐伟.基于SLM梯度多孔钛口腔种植体结构设计及应用基础研究[D].北京:北京科技大学,2021.
[27] FROST HM. A 2003 update of bone physiology and wolff’s law for clinicians. Angle Orthod. 2004;74(1):3-15.
[28] PENG WM, LIU YF, JIANG XF, et al. Bionic mechanical design and 3D printing of novel porous Ti6Al4V implants for biomedical applications. J Zhejiang Univ Sci B. 2019;20(8):647-659.
[29] LEE U L, YUN S, LEE H, et al. Osseointegration of 3D-printed titanium implants with surface and structure modifications. Dent Mater. 2022; 38(10):1648-1660.
[30] ZHANG J, LIU J, WANG C, et al. A comparative study of the osteogenic performance between the hierarchical micro/submicro-textured 3D-printed Ti6Al4V surface and the SLA surface. Bioact Mater. 2020; 5(1):9-16.
[31] TOOSI S, JAVID-NADERI M J, TAMAYOL A, et al. Additively manufactured porous scaffolds by design for treatment of bone defects. Front Bioeng Biotechnol. 2024;11:1252636.
[32] 赖春花,徐淑兰,许言,等.颌骨不同骨质区域对种植体表面的接触成骨的影响[J].实用医学杂志,2021,37(8):1008-1013.
[33] 高岩,林曦,刘影.碱热处理纯钛表面纳米改性后对成骨细胞早期黏附生长的影响[J].中国组织工程研究,2024,28(15):2302-2306.
[34] SARTORETTO SC, ALVES ATNN, RESENDE RFB, et al. Early osseointegration driven by the surface chemistry and wettability of dental implants. J Appl Oral Sci. 2015;23(3):279-287.
[35] SHU T, WANG X, LI M, et al. Nanoscaled titanium oxide layer provokes quick osseointegration on 3D-printed dental implants: a domino effect induced by hydrophilic surface. ACS Nano. 2024;18(1):783-797.
[36] WALL I, DONOS N, CARLQVIST K, et al. Modified titanium surfaces promote accelerated osteogenic differentiation of mesenchymal stromal cells in vitro. Bone. 2009;45(1):17-26.
[37] PINTO GDCS, REIS I ARD, LEOCÁDIO ADCS, et al. Evaluation of hydrophilic surface osseointegration in low-density bone: preclinical study in rabbits. Braz Dent J. 2023;34(3):66-72.
[38] SÁNCHEZ-PUETATE JC, SILVA BLG, PINOTTI FE, et al. Assessing bone formation on hydrophilic and hydrophobic implant surfaces in a murine model treated with bisphosphonates. Clin Oral Invest. 2024;28(1):89.
[39] DONOHOE E, KAHATAB R, BARRAK F. A systematic review comparing the macrophage inflammatory response to hydrophobic and hydrophilic sandblasted large grit, acid‐etched titanium or titanium–zirconium surfaces during in vitro studies. Clin Exp Dent Res. 2023;9(3):437-448.
[40] SHAO H, MA M, WANG Q, et al. Advances in the superhydrophilicity-modified titanium surfaces with antibacterial and pro-osteogenesis properties: a review. Front Bioeng Biotechnol. 2022;10:1000401.
[41] CHU X, WU F, LIU Z, et al. Brush polymer coatings with hydrophilic main-chains for improving surface antibacterial properties. ACS Macro Lett. 2023;12(4):428-432.
[42] WEN Y, DONG H, LIN J, et al. Response of human gingival fibroblasts and porphyromonas gingivalis to UVC-activated titanium surfaces. J Funct Biomater. 2023;14(3):137.
[43] 张华英,赵雨薇,于海洋.椅旁紫外线光功能化技术提高钛种植体生物活性的研究进展[J].口腔疾病防治,2022,30(4):295-299.
[44] TANIYAMA T, SARUTA J, MOHAMMADZADEH REZAEI N, et al. UV-photofunctionalization of titanium promotes mechanical anchorage in a rat osteoporosis model. Int J Mol Sci. 2020;21(4):1235.
[45] HAYASHI M, JIMBO R, XUE Y, et al. Photocatalytically induced hydrophilicity influences bone remodelling at longer healing periods: a rabbit study. Clin Oral Implan Res. 2014;25(6):749-754.
[46] HIROTA M, OZAWA T, IWAI T, et al. UV-mediated photofunctionalization of dental implant: a seven-year results of a prospective study. J Clin Med. 2020;9(9):2733.
[47] MINAMIKAWA H, IKEDA T, ATT W, et al. Photofunctionalization increases the bioactivity and osteoconductivity of the titanium alloy Ti6Al4V. J Biomed Mater Res Part A. 2014;102(10):3618-3630.
[48] 秦风利,王超,刘婷,等.3D打印多孔钛个性化根形种植体的体内骨愈合研究[J].口腔医学研究,2018,34(12):1337-1341.

引言

种植修复是目前广泛被认可的治疗牙列缺损的方式，钛合金(Ti6Al4V)因具有优良的机械性能、抗腐蚀性能和生物相容性，常成为种植修复的首选材料。目前临床常见的种植体多为通过传统铸造方式生产的实心螺纹形种植体，但是传统实心铸造钛合金的弹性模量(110 GPa)显著高于人体骨组织的弹性模量(0.02-20 GPa)，材料与骨组织生物力学性能不匹配往往会出现“应力屏蔽”现象[1]，这一现象可能影响种植体与周围骨组织之间的紧密结合，进而降低种植体的长期稳定性和种植成功率。
为了提高口腔种植体的生物力学性能和骨结合率，有学者将多孔结构引入口腔种植体的结构设计中[2-3]，旨在降低口腔种植体整体的弹性模量，缓解种植体与周围骨组织之间力学性能不匹配的问题。三周期极小曲面结构因具有平均曲率为零、孔隙连通、生物力学性能优良、可高效构建各种复杂骨支架等特点而得到了广泛应用[4-5]。已有研究表明，引入三周期极小曲面结构可以有效提升金属骨植入物的骨结合效果[6]，而基于三周期极小曲面的Gyroid结构因具有高比表面积、高渗透率的特点被认为是三周期极小曲面结构中最适合应用于骨植入物的基本单元[7-8]，这为口腔种植体的结构设计提供了新思路。
随着增材制造技术的飞速发展，如今已经可以将复杂结构的3D模型转化为实体产品，增材制造技术为口腔种植体的设计和制备提供了更多可能性[9-10]。然而，增材制造技术也存在着一些局限性：3D打印的金属骨植入物表面常常附着着未熔融的金属粉末[11-12]，这些弱连接的金属粉末可能影响骨结合效果；3D打印的钛合金原始表面呈生物惰性，润湿性较差，不利于成骨细胞早期的黏附增殖，其抗菌性、生物相容性和促进骨结合的能力较亲水性表面一般[13]。因此，在新型口腔种植体的设计和制备中，需要综合考虑种植体的力学性能、表面性能以及制备工艺等因素。此次研究通过3D建模、3D打印、表面改性技术设计并制备了亲水性Gyroid结构种植体，通过有限元仿真将其与传统结构种植体的生物力学性能进行对比，为亲水性仿真结构牙种植体的设计、制备及临床应用提供理论依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计 3D建模、有限元仿真、3D打印、表面改性实验。
1.2 时间及地点实验于2023年11月至2024年3月在佳木斯大学口腔医学工程实验中心完成。
1.3 对象选择佳木斯大学附属口腔医院1名女性患者的CT影像资料作为研究对象，该患者26岁，牙列完整，颌面部无肿瘤史、创伤史及病理性炎症，无全身系统性疾病。患者对研究知情同意并签署了知情同意书。研究已通过佳木斯大学附属口腔医院伦理委员会审批(伦理审批件号：2024-KQYY-XS-04)。
1.4 实验方法
1.4.1 3D建模及三维有限元分析
构建实心种植体模型：在Solidworks软件(Solidworks公司，美国)中进行种植体建模，为了方便有限元分析，将中央螺钉简化为圆柱结构，再将中央螺钉与基台简化为一个整体，然后建立基台、螺纹、种植体体部3个零件体模型，模型形态结构及部分数据参考国内ZDI骨组织水平种植体系统手册(浙江广慈仪器有限公司)，中央基台牙冠部高5.5 mm，穿龈部高2 mm，种植体体部直径4 mm、高度10 mm，螺纹形态为V形，螺距为0.8 mm[14]，使用相交命令，使种植体体部模型内部形成可以容纳中央螺钉的结构，见图1A。

构建Gyroid结构种植体模型：把种植体的装配体文件导入ntopology软件(ntopology公司，美国)中，将装配体文件中所有零件体的“CAD体”转换为可进行参数化建模的“隐式体”。选择ntopology晶格栏中经典的Gyroid结构作为种植体体部的晶胞单元，晶胞半径和高度均设为2 mm，中面偏移值为0，矢量方向设置为“VWU”，然后建立和种植体体部形态相似的圆柱体体积晶格。将晶胞单元和体积晶格均设为变量后，在体积晶格的“Volume”中选择种植体体部的隐式体，构建Gyroid结构的种植体体部模型，见图1B。通过布尔运算，将转换为隐式体模型的所有零件体结合成一个整体，然后根据3D打印机实际精度选择合适的公差，导出stl格式的Gyroid结构种植体，见图1C。

构建下颌骨骨块及牙冠模型：将Dicom格式的患者CT扫描数据导入Mimics 21.0软件(Materialise公司，比利时)，先后进行新建蒙板、区域增长、分离蒙板、光滑蒙板等操作，提取患者的下颌骨骨块模型和右下6的牙冠模型。再将提取出的模型导入Geomagic Wrap 2021软件(3D Systems 公司，美国)，通过松弛多边形、删除钉状物、快速光顺、砂纸等命令对模型外观进行平滑处理，处理后复制一份下颌骨骨块模型，使用“偏移整体”命令建立下颌骨骨块的松质骨模型，然后将处理后的右下6牙冠模型、下颌骨骨块模型(皮质骨和松质骨)分别保存导出。
模型装配与网格划分：将牙冠、皮质骨、松质骨、实心种植体、Gyroid结构种植体模型导入Hypermesh软件(Altair公司，美国)进行装配，获得2组牙冠-种植体-下颌骨的模型，装配后的模型如图2所示，分别记为实心结构种植体组与Gyroid结构种植体组。然后采用C3D4四面体网格对模型进行网格划分[15]，由于Gyroid结构种植体体部结构复杂且精密，为了使有限元仿真结果更接近实际情况，在网格划分时应采用手动与自适应网格相结合的方式对模型进行网格加密，其中实心种植体组的节点数为296 046，单元元素为1 496 772，Gyroid结构种植体组的节点数为715 730，单元元素为3 725 111，网格划分完成后导出inp格式文件，再将inp格式文件导入Ansys Workbench 2022 R1(ANSYS公司，美国)中进行后续有限元分析。

约束条件与材料属性：为了更有针对性地研究不同结构种植体受力后对周围骨组织的影响，假设牙冠与种植体基台之间为固定接触，将牙冠与种植体、皮质骨与松质骨之间的接触关系设为绑定，无摩擦，种植体与皮质骨、松质骨之间的接触关系设为摩擦，摩擦系数为0.3[15]。根据参考文献赋予牙冠、种植体、皮质骨、松质骨模型相应的材料属性[16]，具体的弹性模量和泊松比参数如表1所示。
加载条件：在牙冠表面中央窝处，沿种植体轴线方向施加垂直向的压力120 N[17]，模拟垂直向的平均咬合力，分析不同结构种植体的等效应力及周围骨组织的等效应力。

1.4.2 亲水性Gyroid结构种植体的制备
3D打印Gyroid结构种植体：为了方便后续检测，在打印Gyroid结构种植体时同时打印30个直径10 mm、厚度2 mm的钛片。将Gyroid结构种植体模型、钛片模型及其支撑文件导入3D打印机(Concept Laser Mlab cusing R，德国)中。以Ti6Al4V粉末(粒径：10-53 μm，北京德普润材料科技有限公司)为原料进行打印，打印参数设置为：激光功率95 W，扫描速度900 mm/s，打印过程中用氩气保护构建室，使构建室内的氧气含量低于2%。打印完毕后将试件从基板上取下，用金刚砂车针去除试件表面残留的支撑。
喷砂酸蚀处理：使用60目的白刚玉喷砂颗粒在干式喷砂机(北京九野)内对3D打印Gyroid结构种植体试样进行垂直喷砂处理，喷砂时间为30-40 s，压强为0.3 MPa。再将试样依次放入蒸馏水、丙酮、无水乙醇和蒸馏水中进行超声清洗，每次清洗15 min。将清洗吹干后的试样放入混酸中酸蚀，混酸溶液体积配比为H2SO4∶HCl∶H2O=1∶1∶2，酸蚀时间为30 min。
紫外光功能化处理：将需要紫外光功能化处理的试样放置于避光的紫外线灯箱(PHILIPS，荷兰)中照射9 h[18]，灯箱内灯的功率为60 W，紫外光的波长为254 nm。
表面形貌观察：使用场发射扫描电子显微镜(赛默飞Helios G4 CX，美国)分析3D打印后未经表面处理试样、喷砂酸蚀法处理后试样、喷砂酸蚀+紫外光功能化处理后试样表面形貌。
亲水性检测：使用接触角测量仪(上海中晨)测量3D打印后未经表面处理试样、喷砂酸蚀法处理后试样、喷砂酸蚀 + 紫外光功能化处理后试样表面的亲水性。每组20个样本。
1.5 主要观察指标在平均咬合力作用下不同结构种植体的等效应力与骨组织的等效应力，3D打印Gyroid结构种植体的外观及亲水性。
1.6 统计学分析使用SPSS 26.0软件对接触角数据进行统计分析。首先对数据进行正态性检验，若数据符合正态分布，结果以x±s表示；若不符合正态分布，则以中位数和四分位数间距(Median[IQR])表示。对于正态分布数据，采用单因素方差分析(ANOVA)进行组间比较，若有显著性差异，进一步使用Tukey法进行多重比较分析。对于非正态分布数据，采用Kruskal-Wallis检验进行组间比较，若有显著性差异，使用Dunn-Bonferroni法进行多重比较分析。P≤0.05时差异有显著性意义。该文统计学方法已经佳木斯大学统计学专家审核。

讨论

临床上，种植成功的关键是种植体能与周围骨组织形成良好的骨结合，而种植体的力学性能和其表面生物学性能是影响种植体骨结合的关键因素。目前关于提高种植体力学性能的研究主要集中在2方面：一方面，种植体要有足够的机械强度，使其在承受正常咀嚼力的作用下不会发生屈服破坏；另一方面，种植体应有良好的应力传导能力，既要保证周围的骨组织能受到一定的力学刺激，从而促进新骨形成，又要避免“应力屏障”效应导致的骨吸收[19-21]。
生物力学中的“应力屏蔽”是指不同弹性模量的种植体与骨组织并联承担载荷时，高弹性模量的种植体承担了较多的载荷，而低弹性模量的骨组织承受的应力减少，即种植体对骨组织产生了应力遮挡作用。“应力屏蔽”现象容易引起骨机械性能的降低，从而影响种植体的长期稳定性。为了减轻“应力屏蔽”现象，一些学者将多孔结构引入种植体结构设计中[3]，因为在相同材料、体积情况下多孔结构的质量小于实心结构，孔隙结构的引入减少了材料的质量分布，降低了材料抵抗形变的能力，从而表现为弹性模量降低。黄道宇[22]通过力学压缩实验，将3D打印Ti6Al4V材料的实心试件与不同形态的多孔结构试件进行对比，研究表明多孔结构试件的弹性模量均显著低于实心试件。Gyroid结构属于多孔结构的一种，ZHU等[23]通过实验证明3D打印Gyroid结构的Ti6Al4V支架拥有与人体骨质相匹配的弹性模量，故在种植体体部引入Gyroid结构可以降低种植体的弹性模量，缓解“应力屏蔽”效应。有研究学者认为基于三周期极小曲面设计的支架较其他结构支架具有更强的骨组织再生性能[24]。HAYASHI等[25]设计了具有Gyroid结构的骨支架，研究发现与传统的网格支架相比，Gyroid结构支架更利于成骨细胞渗透和骨组织向内生长。徐伟[26]采用三周期极小曲面法设计了Primitive、I-WP、Diamond及Gyroid等 4种不同类型的曲面结构，通过有限元分析得出：相同孔隙率下Gyroid结构更适合作为多孔结构种植体的单胞结构。此次研究将基于三周期极小曲面的Gyroid结构引入种植体体部，通过有限元分析发现Gyroid结构使得作用在种植体上的咬合力更分散，而不是集中于颈部。因为Gyroid结构具有更大的比表面积和内部连通的孔隙空间，这使得施加在种植体上的载荷能够均匀地分散到整个结构中，从而减小了种植体局部，尤其是其颈部的应力集中。相比之下，实心种植体的载荷只能在结构的外表面得到分散，容易导致局部尤其是颈部的应力集中。
但是Gyroid结构的设计减弱了Ti6Al4V种植体的刚性和材料强度，有限元结果显示Gyroid结构种植体所受的最大等效应力为200.67 MPa，远小于Ti6Al4V材料的屈服强度800 MPa，并且不超过Ti6Al4V材料屈服强度的50%，已有研究学者表明口腔医学植入件的最大等效应力低于材料屈服强度的50%时，植入件在植入后不会发生断裂[26]，这说明Gyroid结构虽然减弱了种植体强度，但在正常咀嚼力作用下该结构种植体不会发生屈服破坏。同时针对Gyroid结构可能影响支撑螺纹受力的问题，此次研究在建模设计时将Gyroid结构的矢量方向设置为“VWU”，这样可以使螺纹与植体体部更好地衔接，这一点在3D打印出的实体模型中也得到了证实。螺距在保护种植体垂直受力时起着重要作用，当螺距> 0.75 mm且< 0.94 mm时，种植体的应力变化幅度最平稳，应力值最小[14]，故此次研究选用0.8 mm的螺距来降低Gyroid结构可能对螺纹带来的影响。此次研究分析不同结构种植体对周围骨组织的等效应力影响，发现Gyroid结构种植体产生的应力分布范围较实心结构种植体小，这是Gyroid结构种植体在植入初期与骨组织的接触面积相对较小导致，随着后期骨组织的长入该情况会发生变化，只是由于有限元软件限制，无法模拟骨组织完全长入后的应力状态。根据沃尔夫定律[27]，当作用在骨组织上的等效应力为20-60 MPa时，骨结合活跃，促进骨生长；在平均咬合力作用下，Gyroid结构种植体作用在周围骨组织上的最大等效应力为24.27 MPa，在20-60 MPa区间内，而传统实心种植体作用在周围骨组织上的最大等效应力为17.32 MPa，略小于20 MPa，这意味着传统实心种植体对新骨形成刺激的效果不如Gyroid结构种植体。
目前，针对个性化结构种植体的研究大多集中在虚拟的模型设计及其力学仿真分析上[2，28]，如何将其实体化以及针对实体化后表面性能的研究比较有限。LEE 等[29]通过3D打印制造了具有各种结构和微弧氧化表面修饰的钛支架，研究发现3D打印技术可以建立理想的颌面重建钛基种植体，而通过微弧氧化处理在3D打印种植体上形成的纳米级形貌对骨整合影响较小。ZHANG等[30]研究发现，对3D打印Ti6Al4V植入物进行酸蚀或喷砂酸蚀处理可以获得微米级表面形貌，这种形貌可提高3D打印钛合金骨植入物的成骨性能。此次研究通过3D打印技术成功地将Gyroid结构种植体模型转化为实体，并且实体Gyroid结构种植体与3D模型设计差异不大，将打印后的式件进行喷砂酸蚀处理，不仅可以有效去除其表面弱连接的金属颗粒，使试件的孔隙结构与设计模型更相近[31]，还可以在其表面形成微米级网状形貌，该形貌有望提高3D打印Gyroid结构种植体的成骨性能[32-33]。大量研究证实，生物材料表面的亲水性在骨整合过程中的级联事件中起着积极作用[34-35]，较高的表面亲水性不仅有利于成骨细胞的黏附增殖，还有利于促进早期骨结合以及矿化骨形成的增加[36-38]；除此之外，亲水性生物材料表面可以抑制细菌的黏附和活力，减少促炎细胞因子的基因表达[39-41]。在喷砂酸蚀的基础上再进行紫外光功能化处理可以显著提高钛合金表面的亲水性和抗菌性[42-43]，紫外光辐照可减少3D打印钛合金表面碳氢化合物的污染并增加钛基材料表面的羟基含量，从而提升其表面的亲水性和生物相容性[13，44-45]，促进种植体与骨组织的紧密结合，提高种植体植入后的长期稳定性[46-47]。虽然有很多方法可以提高3D打印钛合金表面的亲水性，但是针对多孔结构骨植入物，紫外光功能化是一种简单、经济且全面的方法，该方法不仅不会影响样品内部的复杂结构，还可以利用光无孔不入的特点，处理到多孔结构种植体内部不易被其他表面改性方式均匀处理到的角落，更有利于成骨细胞向孔隙内部增殖。此次研究在喷砂酸蚀的基础上对Gyroid结构种植体进行紫外光功能化处理，接触角分析结果显示紫外光功能化可进一步提升喷砂酸蚀后钛合金表面的亲水性，近似达到超亲水性表面，这意味着亲水性Gyroid结构种植体制备成功。
该研究仍有一些局限性：只对Gyroid结构种植体的力学性能进行了有限元仿真分析，后续还需进行实体压缩试验和动物实验来进一步验证亲水性Gyroid结构种植体的生物力学性能；目前针对个性化骨植入物的增材制造技术仍未完全成熟，通过3D打印技术制备出的实体件与3D模型之间存在一定差异，虽然通过喷砂酸蚀技术可以缩小二者之间的差异，但如何使3D打印出的个性化骨植入物更贴近原设计模型仍是未来值得探讨的话题；任何种植体植入都有一定的风险，尽管通过有限元分析和以往相关研究证明了个性化种植体的理论安全性和应用前景[48]，但仍需要大量基础实验和临床试验来研究Gyroid结构种植体植入后的长期稳定性。针对个性化种植体植入可能带来的风险，建议未来临床中注意以下几点：①多学科专家组成团队在术前共同评估，为个性化种植体定制个性化的种植方案；②可以通过使用精确的导航系统、种植机器人辅助技术或计算机辅助设计技术来提高手术的准确性和成功率；③手术植入时应保证植体孔隙部分完全位于骨面以下，防止种植体周围炎的发生；④使用具有优良生物相容性和抗菌性能的水凝胶给多孔结构种植体充孔，以降低术中及术后的感染风险等。
综上所述，通过3D建模、3D打印、喷砂酸蚀和紫外光功能化技术相结合可制备出具有优良力学性能和表面性能的亲水性Gyroid结构种植体。目前国产亲水性个性化结构种植体的研发仍任重道远，在未来的研究中仍需进行更深入的探索，使亲水性个性化结构种植体更适合临床应用。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

亲水性Gyroid结构种植体的制备及力学性能分析

Preparation and mechanical property analysis of hydrophilic Gyroid structure implant

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 5

参考文献

相关文章 4

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	姜至秀, 季俣辰, 刘丹瑜, 曹怡琳, 姜婷婷, 宋颐函, 王磊, 王心彧. Gyroid结构钛仿生骨支架修复下颌骨节段性缺损的生物力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(22): 4621-4628.
[2]	朱文博, 张旭婧, 许燕, 石欣桐. 基于三周期极小曲面晶胞梯度支架的设计及力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(16): 3449-3457.
[3]	赵越, 许燕, 周建平, 张旭婧, 陈宇彤, 靳正阳, 印治涛. 骨组织工程中传统与仿生支架结构设计的差异[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(16): 3458-3468.
[4]	秦敬杰, 郭子歌, 李睿, 马士卿, 卢瑞杰, 李梦君. 骨形成肽1和聚多巴胺复合涂层修饰提高聚醚醚酮表面活性[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(16): 3318-3325.