馬來西亞大學(xué)教授發(fā)表論文：金屬打印不同微觀形貌對細(xì)胞生長成活率的影響

來源： 先臨三維

馬來西亞大學(xué)教授Lijun Shan（第1作者）與杭州電子科技大學(xué)副教授龔友平（第2作者），2019年在《materials》期刊上發(fā)表《In Situ Controlled Surface Microstructure of 3D Printed Ti Alloy to Promote Its Osteointegration》（原位控制3D打印鈦合金植入體表面微觀結(jié)構(gòu)促進(jìn)其骨整合）的研究論文，從機(jī)械設(shè)計(jì)和打印參數(shù)調(diào)整的角度，給金屬3D打印植入體的醫(yī)學(xué)研究提供了一種新的視角和參考。

（金屬3D打印鈦合金植入體）

金屬3D打印技術(shù)是制作個(gè)性化植入物的經(jīng)濟(jì)而有效的方法之一，而鈦合金具有良好的力學(xué)性能，耐腐蝕性強(qiáng)，力學(xué)性能高，細(xì)胞相容性好。因此，鈦合金金屬3D打印已被廣泛應(yīng)用于骨科手術(shù)和其他醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

（金屬3D打印鈦合金植入體）

全球的科研工作者關(guān)于3D打印鈦種植體的研究已經(jīng)很多，大部分的研究集中在種植體的力學(xué)性能上，而很少關(guān)注種植體的表面結(jié)構(gòu)。然而，該論文的實(shí)驗(yàn)研究表明，金屬植入物的微觀結(jié)構(gòu)對生物相容性起著至關(guān)重要的作用。一方面，微結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞的粘附和增殖，因此，它們可以顯著增強(qiáng)細(xì)胞的反應(yīng)；另一方面，微結(jié)構(gòu)能夠確定與宿主骨的機(jī)械連鎖程度，促進(jìn)合成異物與宿主骨之間的復(fù)雜相互作用，這將進(jìn)一步影響種植體的骨整合能力，并決定種植體的成敗。

接下來，讓我們詳細(xì)了解下Lijun Shan教授、龔友平教授是如何基于易加三維EP-M250金屬3D打印機(jī)完成他的研究并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。

（杭州電子科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的易加三維EP-M250金屬3D打印機(jī)）

首先，根據(jù)金屬粉末床成型原理，通過控制與調(diào)整激光功率、掃描路徑、打印角度等設(shè)備參數(shù)，研究者制造出三種不同的鈦合金植入體表面微觀結(jié)構(gòu)，分別被成為S（條形結(jié)構(gòu)）、B（球狀結(jié)構(gòu)）和BS（球狀-條形結(jié)構(gòu)）。

（金屬粉末床成型原理與三種微觀表面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像）

其次，三種植入體經(jīng)過水熱處理形成多孔納米結(jié)構(gòu)，再用含10%胎牛血清的培養(yǎng)基溶液在37◦C下浸泡24h，研究其蛋白質(zhì)的吸附作用。

然后采用小鼠胚胎成骨細(xì)胞（MC3T3-E1）進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，觀察細(xì)胞活力、分化和細(xì)胞骨架形態(tài)，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證鈦合金植入體表面微觀結(jié)構(gòu)的改變對骨整合的影響的差異性。

該論文的研究數(shù)據(jù)表明
1在蛋白質(zhì)吸附作用方面，B樣本和BS樣本要優(yōu)于S樣本。

2經(jīng)過1天和5天的細(xì)胞培養(yǎng)之后觀察，B樣本和BS樣本也優(yōu)于S樣本。數(shù)據(jù)證實(shí)：球形微結(jié)構(gòu)能夠激發(fā)細(xì)胞活力。

3細(xì)胞分布的觀察則發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞能夠很好地分布在S樣本上（下圖a），卻很難爬行到B樣本的微球上而僅僅附著在微球的周圍（下圖b）；在BS樣本上，因?yàn)榫C合了S樣本的表面形態(tài)，因此，細(xì)胞分布好于B樣本（（下圖C））。實(shí)驗(yàn)證明：植入體表面微觀結(jié)構(gòu)的差異，的確會影響細(xì)胞的生長。

4細(xì)胞培養(yǎng)到第7天和第14天，細(xì)胞分化的觀察數(shù)據(jù)表明：BS樣本上的細(xì)胞具有較好的成骨分化能力。

綜合所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究者最終得出結(jié)論：

細(xì)胞成骨分化是種植體的關(guān)鍵特性，因?yàn)樗�與骨整合能力密切相關(guān)。細(xì)胞不太容易爬到較大的結(jié)構(gòu)上，而粗糙的多孔微觀結(jié)構(gòu)可以為細(xì)胞提供更多的粘附位點(diǎn)，從而為細(xì)胞生長創(chuàng)造更有利的環(huán)境。

植入體的微觀表面形貌可以改變細(xì)胞的增殖、活力和分化，并進(jìn)一步影響種植體與骨組織之間的整合。而要促進(jìn)種植體的生物學(xué)功能，相比應(yīng)用仿生涂層、羥基磷灰石(HAP)聚合、酸蝕、噴砂、熱處理、化學(xué)處理、Mg離子注入等昂貴、耗時(shí)的表面改性方式，通過改變金屬3D打印機(jī)的打印參數(shù)，如激光功率、打印路徑和輪廓打印等，也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)植入體表面微觀結(jié)構(gòu)的目的。

這種原位調(diào)節(jié)3D打印種植體的表面微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定制化的種植體制造的方式和研究結(jié)果，將為高成骨和生物反應(yīng)性的3D打印種植體的原位表面設(shè)計(jì)和加工提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

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