在探索如何更好地设计和评估骨折内固定植入物时，骨科生物力学研究一直面临一个核心难题：寻找理想的“模拟骨骼”。长期以来，尸体骨被认为是黄金标准，但它存在伦理、高昂成本、储存不便以及来源和性质（多为老年个体）代表性有限等固有问题。为此，合成的人工复合骨，特别是第四代复合骨模型（如Sawbones® ），凭借其高机械一致性和可重复性，成为了广泛使用的替代品。然而，商业化的复合骨模型价格不菲，尤其在需要大量样本进行重复测试时，成本急剧攀升。此外，它们结构固定，难以模拟特定病理条件下的骨骼（如骨质疏松症）或进行几何结构的个性化定制。与此同时，增材制造（AM），俗称3D打印技术，正以前所未有的灵活性和可访问性席卷各个工程和医学领域。那么，能否利用这项看似“平民化”的技术，制造出在关键力学性能上足以媲美昂贵商业模型的骨骼替代物，从而降低研究门槛，并开启定制化生物力学测试的大门呢？这正是发表在《Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery》上的一项研究所要解答的问题。
为了验证3D打印模型的有效性，研究人员运用了一系列关键技术方法。核心是通过熔丝制造（FFF）3D打印机制作骨块模型，使用聚乳酸（PLA）材料，设定30%的填充密度，并设计了两种不同的内部结构：规则的网格（Grid）和复杂连续的螺旋24面体（Gyroid）填充图案。这些打印模型与标准的第四代复合骨块（Sawbones® ）进行对比。研究采用了一种标准的锁定加压钢板（LC-DCP）结构，将其用四颗锁定皮质螺钉固定在骨块上，以模拟临床内固定场景。核心测试是通过一台伺服液压万能试验机（Dartec）进行的标准拔出实验，评估螺钉-骨块界面的固定强度。最后，运用统计软件（JASP）对数据进行了非劣效性分析，以15%的临床可接受差异作为判断标准。
结果
拔出强度
实验测得的平均拔出力数据清晰地展示了三种模型的性能：标准复合骨（Sawbones® ）为1784.4 ± 79.9 N，网格填充PLA为1698.5 ± 134.3 N，螺旋24面体填充PLA为1908.7 ± 335.2 N。从数值上看，螺旋24面体模型的平均力甚至略高于复合骨。非劣效性分析（图4）表明，尽管网格PLA的平均力稍低，螺旋24面体PLA的力稍高，但两者95%的置信区间均完全落在设定的非劣效性阈值（1516.7 N）右侧，统计学上证实了它们的性能不劣于标准复合骨。
非劣效性分析
详细的统计分析（表2）进一步支持了这一结论。对网格PLA和螺旋24面体PLA分别进行单样本t检验，结果均显示其平均拔出力显著高于非劣效性阈值（p < 0.05）。这从统计意义上确凿地证明了，两种3D打印填充结构的力学性能都在可接受的15%范围内，与标准复合骨模型相当。
破坏形态
尽管内部结构不同导致微观破坏模式略有差异，但宏观拔出行为和破坏形态是相似的（图3）。拔出后螺钉孔周围的形态显示，网格图案主要表现出层间分离，而螺旋24面体图案则因连续的最小周期性曲面结构，表现出更均匀的材料压缩和结构塌陷，这解释了两者在力学性能和变异系数上的不同。
研究的结论明确而有力：采用熔丝制造技术打印的、具有网格和螺旋24面体填充结构的PLA骨块模型，在螺钉拔出强度测试中，其力学表现统计上不劣于（非劣于）传统的第四代复合骨模型。这不仅仅是“差不多”，而是在严格定义的临床接受范围内被证明是可靠的替代品。
这项研究的意义深远。首先，它打破了高性能生物力学测试对昂贵商业模型的绝对依赖，提供了一种高性价比 的解决方案。计算表明，综合考虑材料、设备折旧和运营成本，自制3D打印模型的单位测试成本远低于持续国际采购商业复合骨的成本，对于预算有限的研究机构尤其具有吸引力。其次，3D打印技术带来了前所未有的可定制性 。研究者可以通过软件轻松调整模型的内部结构（填充图案、密度）、几何形状甚至模拟皮质骨厚度，从而创建模拟特定患者解剖或病理状态（如骨质疏松）的测试模型，这是固定规格的商业模型无法实现的。再者，它为快速原型制作和迭代测试 打开了大门，允许在植入物开发早期进行经济高效的初步筛选和失效模式评估。研究团队甚至在讨论中提出了一个分层应用建议：网格图案可作为快速、低成本的初步筛选基线，而螺旋24面体图案则因其更优的结构完整性和各向同性，适用于需要高保真度的高负荷力学评估场景。
当然，研究也指出了当前方法的局限，包括对操作者CAD技能和打印机校准的依赖、单材料（PLA）和单轴向（拔出）测试的局限性，以及更大样本量和更多样化测试条件（如循环载荷、多材料打印如PETG、PEEK）验证的必要性。然而，这些并未削弱其核心价值。这项研究为将增材制造确立为骨科生物力学研究中一个标准化、可及且强大的平台奠定了坚实的基础。它不仅仅是一项替代性验证，更是一种研究范式的推动，有望“民主化”生物力学研究，让更多资源有限的机构能够开展严谨、创新的骨科植入物和手术技术评估，最终加速骨科临床研究的进步。
打赏
