中国粉体网讯 生物陶瓷凭借其优异的骨传导性和生物相容性，已成为继金属支架之后最具竞争力的骨缺损修复材料。然而，骨缺损形态复杂多样，传统成型工艺难以实现精准适配。增材制造技术的引入，使生物陶瓷骨支架得以突破形貌限制，通过个性化定制与仿生结构设计，为不规则骨缺损的精准修复提供了可行路径。
虽然陶瓷增材制造技术的应用为生物陶瓷人工骨支架的制备带来无限可能，但仍面临着一些挑战，如力学性能不高，骨修复能力不强，生物性功能单一等，这些不足严重地阻碍了其在临床骨移植中的试验和应用。
基于骨植入物的设计要求，宏观结构设计模型主要分为四类：均匀化设计、分层梯度设计、连续梯度设计和基于拓扑优化的设计。其中，拓扑优化技术是通过使用有限元分析来实现材料优化的一种计算方法，目的是在既定区域内定位目标模型上多余的材料，将其去除或重新分布使其均匀，最终实现材料的最佳分布。
由于拓扑优化方法可在满足约束条件下设计材料分布，以达到最优目标性能，这一方法适用于设计具有多尺度特征的复杂支架结构。在拓扑优化中定义结构的方法主要包括逐点描述和水平集方法。
逐点描述方法中，单元的材料属性（比如空洞ρ=0或固相ρ=1）由单元密度ρ表示。进化结构优化和固体各向同性材料惩罚法使用这种类型的定义方式，并在解决广泛的工程优化问题方面取得了相当大的成功。在计算材料设计领域，基于拓扑优化的开创性工作是由Sigmund在20世纪90年代进行的，用于设计具有规定弹性性能的材料。此后，在设计包括负热膨胀系数和负折射率在内的特殊材料性能方面取得了巨大成就。紧接着，这种方法被扩展应用到支架材料的设计中，从而设计与天然骨骼的刚度矩阵相匹配的支架。
第二类拓扑优化方法，以水平集算法为代表，重点是跟踪不同材料相的相位边界。在水平集方法中，两个相的界面是由高维水平集函数的零水平轮廓隐式定义。水平集方法提供了一种有效方式来表示平滑边界和控制拓扑结构的变化。
拓扑优化设计通过权衡载荷工况、性能指标和材料力学特性，确定最优传力路径，对材料进行合理分布，以实现轻量化设计。增材制造通过计算机程序控制材料进行逐层堆叠，可实现复杂结构的样机加工或小规模制造。
拓扑优化和增材制造的集成是结构设计和制造的重要方式。通过增材制造，工程师可以摆脱传统制造技术的限制，专注于设计轻量化和高性能的结构。同时，拓扑优化也是为增材制造产品设计轻量化和创新配置的有效方法。
西北工业大学汪焰恩教授针对骨缺损修复中生物陶瓷支架力学性能与生物相容性不匹配、修复效率不足的问题，开展功能性生物陶瓷骨支架的拓扑优化设计与精准制造研究。采用有限元分析结合多目标优化算法，以孔隙率、力学匹配性及营养传输效率为目标，构建支架拓扑结构优化模型。通过喷墨式3D打印技术实现支架精准制造，制备出孔隙连通性良好、力学性能贴合人体骨组织的生物陶瓷支架。实验表明，优化后的支架可促进细胞黏附、增殖及成骨分化，显著提升骨修复效果。该研究为高性能生物陶瓷骨支架的设计与制造提供了新方法，对推动骨组织工程临床应用具有重要意义。
2026年8月14日，中国粉体网将在陕西西安举办“2026先进生物陶瓷材料技术与产业大会暨3D打印生物陶瓷技术市场应用交流会”。西北工业大学教授汪焰恩将为大家带来《仿生微结构驱动骨活化生物陶瓷骨支架拓扑优化设计与精准制造研究》的主题报告。
报告人介绍
汪焰恩，博士，教授/博导，西北工业大学机电学院副院长，英国皇家生物学会会士（Fellow of RSB）,Bio-Des.& Manuf副主编，陕西省特支计划科技创新领军人才，陕西省创新创业领军人才，陕西省生物增材制造工程研究中心主任。长期从事智能制造技术和增材制造技术与装备研究。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目（首席）、国际合作项目等国家、GF基础创新及省部级科研项目30余项；出版学术专著3部，教材2部；在中国科学，机械工程学报，J. Manuf. Syst., Energ. Convers. Manage.，Bio-Design & Manuf. 等国内外顶级学报发表学术论文125篇，授权发明专利27项，转化19项。获教育部科学技术发明一等奖（序1），中国发明协会科技创新成果一等奖（序1）；国家精品课和国家一流课程负责人，获国家教学成果一等奖一项、陕西省教学成果特等奖一项、陕西省学位与研究生教育学会一等奖。
资料来源：
封雨潇.基于拓扑优化的骨植入物结构设计与评估
梁浩文等：3D打印生物陶瓷人工骨支架的研究进展
西工大综述：增材制造与拓扑优化：现状与挑战
张磊等.面向增材制造的拓扑优化设计方法研究进展
以“惰性陶瓷为基，多元材料协同，驱动临床革新”为主题，中国粉体网将于2026年8月14日举办“2026先进生物陶瓷材料技术与产业大会”，旨在构建产学研医深度协同平台，促进创新要素精准融通与高效流动，加速前沿技术临床转化与产业化进程，助力企业实现技术迭代与市场战略突围。
大会热诚欢迎国内外相关领域的专家、学者、科研人员、企业界代表及投融资机构积极参会，同时欢迎公司、企事业单位展示技术成果，洽谈产、学、研合作。
（中国粉体网编辑整理/青黎）
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