随着6月4日AMA: Healthcare将医学3D打印置于聚光灯下，来自行业各界的观点纷纷探讨这项技术的发展方向。

骨科植入物设计在过去五十年已稳步演进，从实心金属块发展到复杂的点阵结构。然而翻修率几乎没有变化，仍维持在10%至20%之间。GenMat创始人兼首席执行官Sajjad Raeisi博士认为，该领域一直在解决错误的问题。他的平台Ossevo应用仿生计算方法来处理他所认为的根本原因：合成植入物与活体骨骼之间的机械不匹配。

他的平台Ossevo（osseous evolution的缩写）应用仿生计算方法来制造能够复制骨骼结构行为的植入物，而非通过传统工程逻辑来近似模拟。

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当前植入物设计的局限性

尽管骨科植入物历经数十年发展，翻修率仍然居高不下。根本原因主要在于力学层面。标准钛植入物的刚度比人体骨骼高出五到十倍，这种差异导致植入物吸收了本应通过周围骨组织的机械载荷。缺乏这种刺激后，骨骼开始吸收，这一过程被称为应力屏蔽，最终导致植入物松动，需要翻修手术。

后续几代植入物设计试图解决这一问题。多孔涂层改善了骨整合。基于CAD的建模引入了患者特异性几何形状。金属增材制造使得具有更高渗透性的点阵和多孔结构成为 possible。近年来，诸如三周期极小曲面等隐式建模技术提供了适用于生物医学应用的几何光滑多孔结构。拓扑优化现已广泛应用于各行业，通过在给定约束条件下计算确定最优材料分布，进一步提高了结构效率。

然而，这些方法每一种都存在根本局限：没有一种将生物反馈纳入设计过程。例如，拓扑优化针对刚度进行优化，而刚度正是导致应力屏蔽的特性。点阵结构无论多么精细，在几何上仍是均匀的，无法响应个别患者解剖结构的局部力学需求。结果是植入物作为工程物体表现良好，但作为生物替代物并不完整。

「标准植入物作为工程物体表现良好，但作为生物替代物并不完整。当前的设计方法没有一种将生物反馈纳入过程，这正是我们正致力于弥补的根本差距。」Raeisi说道。

Ossevo平台：仿生结构优化

Ossevo通过直接借鉴骨骼用于调节自身结构的机制来弥补这一差距。在正常生理条件下，骨骼会持续响应局部力学刺激进行重塑，在高应力区域增加材料，在低载荷区域吸收材料。这一自适应过程产生了空间渐变结构，既非均匀也非随意，而是精确校准到其所处的力学环境。

Ossevo通过混合元胞自动机方法在计算层面复制了这一逻辑。与拓扑优化最小化柔度函数不同，Ossevo最小化有限元模型中所有单元与目标力学刺激的偏差，有效引导设计寻求与骨骼通过重塑所追求的相同的均匀力学响应。结果是场驱动的点阵结构，其局部几何形状、孔径、壁厚、支柱直径都随力学场连续变化，而非在植入物上均匀分配。

「几何既非均匀也非随意。孔径、壁厚、支柱直径都随力学场连续变化。这就是骨骼所做的。这就是Ossevo所复制的。」Raeisi说道。

该平台集成隐式建模来生成这些结构，利用有符号距离场定义几何形状，精度不受网格分辨率影响。这种方法支持平滑、可制造且兼容金属增材制造的几何形状，并允许在单个统一工作流中同时跨多个参数进行梯度设计，包括密度、孔隙率、单元类型和取向。

当前开发与临床轨迹

GenMat目前处于NSF第一阶段开发，目标是实现应变能量均匀性提升30%，这是与应力屏蔽减少最直接相关的指标。早期模拟结果已显示出在刚度匹配天然骨骼方面取得了有意义的进展，Ossevo求解器的工作原型计划于2026年内发布。

持续的开发优先级包括：无网格有限元方法以简化结构验证；多物理场耦合以考虑流体流动和疲劳以及机械载荷；以及设计、仿真和手术规划之间更紧密的集成——这一工作流在现有大多数工具中仍然碎片化。验证研究正在进行中，以确认仿真结果能转化为物理性能目标。

仿生植入物设计的临床论证是清晰的。「用基于生物学参数而非机械效率设计的物体替换人体组件，不仅仅是技术偏好，更是长期性能的先决条件。Ossevo代表了一次系统性的努力，旨在弥合植入物设计历史上所优化的目标与人体实际需求之间的差距。」

植入物设计停滞之处以及正在发生的变化

GenMat正努力解决的挑战并非新问题，但应对它的工具却是新的。骨科植入物制造商早已明白合成材料与活体骨骼之间的机械不匹配会导致翻修手术，但仅通过几何和孔隙率来解决已被证明不够充分。更广泛的行业现在正转向更进一步的方法。

Croom Medical的Biofuse平台采用激光粉末床熔融开发，将点阵结构直接集成到植入物几何中，精确控制孔径、孔隙率和摩擦系数，旨在通过工程化架构而非仅靠表面涂层促进骨长入。类似地，restor3d的Ossera AFX系统将患者特异性几何结构与多孔点阵架构相结合，旨在促进骨整合的同时保持机械强度，这承认了标准植入物无法可靠地适应个体患者的解剖和力学变异性。

这些努力的共同点是对结构的关注。而大多数所缺乏的仍然是生物反馈——即从设计之初就让特定患者骨骼的力学环境指导设计的能力。亚琛工业大学的研究人员已在此方向上迈出一步，他们开发了生物可吸收植入物，其内部点阵结构根据作用于骨骼的力学力进行调整，并自动从医学影像数据生成。GenMat瞄准的差距正位于这一交叉点：不仅是患者特异性几何，更是患者特异性力学行为，源于骨骼自身如何调节其结构。