研究人員專為醫(yī)療植入物開發(fā)抗感染金屬3D打印技術(shù)

2023年11月21日，南極熊獲悉，華盛頓州立大學(xué)研究團隊成功研發(fā)新型外科植入物，實驗室測試表明，該植入物能夠在殺死導(dǎo)致葡萄球菌感染的細(xì)菌方面達(dá)到87%的效果，同時保持與周圍組織的良好兼容性和堅固性。

△華盛頓州立大學(xué)的研究人員測試了新型3D打印材料的抗疲勞性

該論文的通訊作者、華盛頓州立大學(xué)機械與材料工程學(xué)院波音特聘教授Amit Bandyopadhyay表示：“感染一直是一個我們尚未找到解決方案的問題。在許多情況下，植入物無法有效抵御感染。我們需要尋找一種材料，其本身具備對抗感染的固有能力，而不僅僅依賴基于藥物的感染控制。這項研究探討了如何通過改變材料本身，使其具備固有的抗菌反應(yīng)。”

傳統(tǒng)金屬材料作為植入物的弊端

用于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換以及其它外科植入物的鈦材料是50多年前開發(fā)的，但不太適合克服感染。盡管外科醫(yī)生通常在手術(shù)前使用抗生素進行治療，但危及生命的感染可能會在手術(shù)后立即發(fā)生，或在幾周或幾個月后作為繼發(fā)感染發(fā)生。一旦感染在植入物上形成一層模糊的細(xì)薄膜，醫(yī)生就會嘗試用全身抗生素進行治療。然而，在大約7%的種植手術(shù)病例中，醫(yī)生必須進行翻修手術(shù)，移除種植體、清潔該區(qū)域、添加抗生素并植入另一個種植體。

△所有結(jié)構(gòu)均在基于3D Systems的SLM的粉末床熔融(PBF)系統(tǒng)上進行制造

華盛頓州立大學(xué)的研究人員利用3D打印技術(shù)，在通常用于植入物的鈦合金中添加了10%的鉭（一種耐腐蝕金屬）和3%的銅。當(dāng)細(xì)菌接觸到材料的銅表面時，幾乎所有的細(xì)胞壁都會破裂。同時，鉭可以促進周圍骨骼和組織的健康細(xì)胞生長，從而加快患者的康復(fù)。研究人員花了三年時間對其植入物進行了全面研究，在實驗室和動物模型中評估了其機械性能、生物學(xué)和抗菌反應(yīng)。他們還研究了其磨損情況，以確保植入物中的金屬離子不會磨損并移動到附近的組織中，從而導(dǎo)致毒性。

△Ti3Al2V-Cu-Ta合金對早期骨整合的協(xié)同抗菌功效和增強的生物相容性示意圖。這些植入物通過多材料增材制造制造，可賦予持續(xù)的細(xì)菌耐藥性，同時通過增強的生物相容性實現(xiàn)早期骨形成

在CpTi中添加10wt.%Ta可以顯著改善Ti合金的生物反應(yīng)

通過利用與增材制造相關(guān)的固有材料靈活性，從而使材料設(shè)計能夠納入細(xì)菌耐藥性的功能。

該團隊通過使用金屬3D打印以物理方式預(yù)混合等重量比例的CpTi和Ti6Al4V粉末來制造 Ti3Al2V，以評估加工的致密和多孔零件的機械和生物響應(yīng)。隨后，采用多材料增材制造將 Ti3Al2V與2和3 wt.% Cu合金化，以進行抗菌功效評估。

△該研究成果已發(fā)表在《國際極限制造雜志》上，預(yù)計將在未來為多種常見手術(shù)，如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換術(shù)等，提供更有效的感染控制手段（傳送門）

該校西屋電氣杰出教授Susmita Bose說：“這種多功能設(shè)備的最大優(yōu)點是可以用它來控制感染以及良好的骨組織整合。因為感染是當(dāng)今外科領(lǐng)域的一個大問題，如果有任何多功能設(shè)備能夠同時完成這兩件事，那么沒有什么比它更好的了�！�

研究人員正在繼續(xù)這項工作，希望在不影響組織整合的情況下，將細(xì)菌死亡率提高到99%以上的標(biāo)準(zhǔn)。他們還希望確保這些材料，在患者可能使用的現(xiàn)實負(fù)載條件下提供良好的性能，例如，在膝關(guān)節(jié)置換的情況下進行徒步旅行。

研究人員正在與華盛頓州立大學(xué)商業(yè)化辦公室合作，并已申請了臨時專利。這項工作由美國國立衛(wèi)生研究院資助，并與斯坦福大學(xué)和華盛頓州立大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院的研究人員合作。