不规则骨，如椎骨、腕骨等，其形状和结构更加复杂，它们在人体的运动和支撑中发挥着特殊的作用。椎骨构成了脊柱，脊柱不仅支撑着身体的重量，还保护着脊髓。椎骨之间通过椎间盘相连，椎间盘具有弹性，能够缓冲脊柱在运动过程中受到的冲击力，同时也允许脊柱进行一定程度的弯曲和旋转。

轻质高强度支架的需求与发展

医疗领域对支架的性能要求

在医疗领域，支架被广泛应用于骨折固定、组织修复、康复治疗等方面，对支架的性能要求也越来越高。首先，支架需要具备足够的强度和稳定性，以承受人体运动和负重过程中产生的各种力。在骨折固定中，支架要能够固定骨折部位，防止骨折端的移位，同时还要承受肢体的重量和肌肉的拉力，确保骨折部位能够顺利愈合。

支架的重量要尽可能轻，以减少患者的负担。对于需要长期佩戴支架的患者来说，过重的支架会影响患者的活动能力和生活质量。在康复治疗中，轻质的支架能够让患者更加自由地进行康复训练，促进身体功能的恢复。

支架还需要具备良好的生物相容性，不会引起人体的免疫反应和排斥反应。支架的材料要能够与人体组织紧密结合，不会对周围的组织和细胞造成损害。在组织修复中，支架要能够为细胞的生长和增殖提供良好的环境，促进组织的再生和修复。

现有支架材料与结构的特点及局限

目前，常见的支架材料包括金属材料、高分子材料和陶瓷材料等。金属材料，如不锈钢、钛合金等，具有较高的强度和硬度，在骨折固定等方面应用广泛。然而，金属材料的重量较大，生物相容性相对较差，长期植入人体可能会引起金属离子的释放，对人体健康造成潜在威胁。

高分子材料，如聚乳酸、聚氨酯等，具有重量轻、生物相容性好等优点，在组织工程支架等领域有一定的应用。但高分子材料的强度和刚度相对较低，难以满足一些对力学性能要求较高的应用场景。

陶瓷材料，如羟基磷灰石陶瓷等，具有良好的生物相容性和骨传导性，能够促进骨组织的生长和修复。但陶瓷材料的脆性较大，加工性能较差，在实际应用中受到一定的限制。

在支架结构方面，传统的支架结构往往比较简单，难以满足复杂的力学需求和组织修复要求。一些简单的管状支架在固定骨折部位时，可能无法提供足够的稳定性；而一些平面结构的支架在促进组织再生时，可能无法为细胞提供良好的三维生长环境。

人体骨骼对轻质高强度支架设计的启示

结构设计的仿生策略

人体骨骼的结构为轻质高强度支架的设计提供了丰富的仿生灵感。在支架的结构设计中，可以借鉴骨骼的多孔结构和分级结构。通过设计多孔支架，能够减轻支架的重量，同时增加支架与组织的接触面积，有利于营养物质的交换和细胞的黏附、生长。在组织工程支架中，多孔结构能够为细胞提供三维生长空间，促进组织的再生和修复。