双向梯度Gyroid结构在胫骨柄中的创新设计与增材制造：提升骨整合与重塑的生物力学策略

　　本研究针对全膝关节置换术(TKR)中胫骨柄的固定难题，通过多目标优化和计算力生物学框架，设计出双向梯度孔隙结构。结果表明：低密度(20%)轴向梯度结构增强成骨响应，高密度(10%)径向梯度减少骨吸收，双向梯度(27%径向/73%轴向)实现最优骨重塑。SLM制备试样误差小，为个性化植入体提供新策略。

　　

随着增材制造(Additive Manufacturing)技术的进步，细胞晶格结构(Cellular Lattice Structures)在骨科植入物中的应用日益广泛。梯度孔隙结构能够通过改善固定效果和减少无菌性松动(Aseptic Loosening)，进一步提升非骨水泥植入物(Cementless Implants)的生物力学性能。以往研究多局限于单向梯度结构，而本研究致力于为全膝关节置换术(Total Knee Replacement, TKR)的胫骨柄(Tibial Stem)设计双向梯度晶格结构，以增强成骨响应(Osteogenic Response)和假体周围骨重塑(Periprosthetic Bone Remodeling)。

研究采用实验设计法(Design of Experiment)处理多目标优化问题，以确定最佳梯度参数。基于计算力生物学(Computational Mechanobiology)框架，开发了三个有限元模型：术前(Preoperative)、术后早期(Early Postoperative)和术后晚期(Late Postoperative) TKR模型，用于预测骨整合(Osseointegration)和骨重塑行为。

结果获得五种最优梯度结构，分别适用于特定患者群体：低孔隙率（20%密度）的轴向梯度结构可诱导强成骨响应，适用于成骨细胞活性弱的老年患者；高孔隙率（10%密度）的径向梯度结构能降低骨吸收(Bone Resorption)，满足年轻患者对长植入体寿命的需求；综合最优结构为双向梯度（27%径向、73%轴向）结合高孔隙率（10%密度），在成骨响应变化最小的同时增强骨重塑。通过选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)制备的梯度Gyroid试样经扫描电镜(SEM)检测显示，其制造误差相对于平均晶格尺寸较小。

计算与实验结果证实了双向梯度胫骨柄的生物学益处及制造可行性，为个性化植入物设计提供了新方向。