可負(fù)載抗生素的3D打印復(fù)合支架

供稿人:楊帆、高琳
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

開(kāi)放性骨折及植入手術(shù)后的骨感染一直以來(lái)都是骨科領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。為克服術(shù)后感染引發(fā)的骨髓炎，需根據(jù)感染的嚴(yán)重程度，對(duì)患者施用抗生素。通常，醫(yī)學(xué)上采取全身施用高濃度抗生素的策略，以在感染部位達(dá)到有效濃度，但這可能導(dǎo)致耐藥菌株的產(chǎn)生，并在骨再生過(guò)程中造成一定的副作用。為了避免高劑量的全身給藥，同時(shí)加快骨愈合，可選擇由生物可降解聚合物制成的3D組織工程支架，通過(guò)優(yōu)化局部抗生素的釋放，最大化目標(biāo)組織濃度并最小化毒性風(fēng)險(xiǎn)。

荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的制造方法，通過(guò)高溫熔融擠出直接制造載藥支架，具體過(guò)程如圖1 所示。該復(fù)合支架由生物相容性和可生物降解的共聚物聚對(duì)苯二甲酸乙二酯/聚對(duì)苯二甲酸丁二酯（PEOT/PBT）和鎂鋁層雙氫氧化物（MgAl）或α-磷酸鋯(ZrP)組成，在層狀結(jié)構(gòu)中分別嵌入了抗生素環(huán)丙沙星(CFX)和慶大霉素(GTM)。這兩種抗生素常用于治療骨科感染，通過(guò)熔融復(fù)合分散在熱塑性聚合物中，隨后通過(guò)高溫熔融擠出加工成3D支架。

圖1 采用熔融擠壓法制備抗菌復(fù)合支架(PEOT/ PBT—填料—抗生素)的示意圖

無(wú)機(jī)填料能夠通過(guò)聚合物基質(zhì)持續(xù)釋放抗生素，與無(wú)填料體系相比，釋放時(shí)間更持久其釋放速率受到填料種類(lèi)、離子濃度及酸堿度等條件的限制，如圖2所示。重要的是，經(jīng)過(guò)高溫制造過(guò)程后，這兩種抗生素對(duì)革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性細(xì)菌菌株具有與未加工抗生素相同的抗菌水平，活性得到證實(shí)。此外，支架中加入填充劑和抗生素既不會(huì)影響骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的活性，也不會(huì)阻止其成骨分化，允許基質(zhì)礦化和相關(guān)成骨標(biāo)記物的表達(dá)。

圖2 不同條件下MgAl -CFX和ZrP-GTM共聚物復(fù)合材料的抗生素釋放曲線

以上結(jié)果均表明可以通過(guò)在高溫下制備的支架中直接加入抗生素來(lái)制備雙功能支架，并且有可能在促進(jìn)骨再生的同時(shí)改善感染管理。這一方法為今后使用其他相關(guān)抗生素和可生物降解的熱塑性聚合物的研究打開(kāi)了大門(mén)，從而進(jìn)一步優(yōu)化該系統(tǒng)，使之走向臨床應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
María Cámara-Torres, Stacy Duarte, Ravi Sinha et al. 3D additive manufactured composite scaffolds with antibiotic-loaded lamellar fillers for bone infection prevention and tissue regeneration. Bioactive Materials. 2021,6(4):1073-1082.