華盛頓州立大學(xué)開發(fā)用于外科植入物的抗菌3D打印金屬——鈦鉭銅新合金材料

在醫(yī)療 3D 打印領(lǐng)域，我們經(jīng)常討論塑料絲、光聚合物樹脂和有機(jī)硅等3D打印材料的應(yīng)用價(jià)值，這些3D打印部件可以幫助接受治療的患者感到舒適并促進(jìn)康復(fù)。然而，該領(lǐng)域不容忽視的一種材料是金屬3D打印的使用。金屬在醫(yī)療領(lǐng)域的使用是許多植入物、手術(shù)和一些假肢的重要組成部分，這些假肢通�？梢耘惆榛颊邤�(shù)年甚至一生。一般來說，醫(yī)療部件的一個(gè)問題是在與人體相互作用時(shí)接受或排斥異物，從而導(dǎo)致不良副作用或感染。

2023年11月27日，南極熊獲悉，為了更輕松地解決上述問題，華盛頓州立大學(xué) ( WSU ) 的研究人員宣布，他們成功測(cè)試了一種具有天然抗菌功能的 3D 打印金屬，為該材料有一天用于外科植入物提供了可能性。這種新型外科植入物在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中能夠殺死 87% 的導(dǎo)致葡萄球菌感染的細(xì)菌，展現(xiàn)出與現(xiàn)有植入物一樣的堅(jiān)固性能，并且與周圍組織良好相容。

△華盛頓州立大學(xué)的研究人員測(cè)試了新型 3D 打印材料的抗疲勞性。照片來源：WSU

相關(guān)研究以題為“Additively manufactured Ti–Ta–Cu alloys for the next-generation load-bearing implants”的論文被發(fā)表在《International Journal ofExtreme Manufacturing》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ad07e7/meta

在測(cè)試過程中，3D 打印金屬能夠殺死87% 的引起感染的細(xì)菌，并且能夠在不影響其作為植入式醫(yī)療設(shè)備的功能的情況下實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)；它周圍的組織不會(huì)排斥新的植入物。華盛頓州立大學(xué)的研究小組希望這一進(jìn)展能夠成為控制髖部或膝部等常見植入手術(shù)期間細(xì)菌傳播的一種手段。這些手術(shù)期間和之后的細(xì)菌生長(zhǎng)和隨后的感染是植入物排斥的主要原因。借助具有天然抵抗力并能夠殺死有害細(xì)菌細(xì)胞的材料，許多人的治療結(jié)果可能會(huì)得到顯著改善。

△鈦已被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)制造和3D打印醫(yī)療領(lǐng)域。（圖片來源：TrabTech）

最常用于普通手術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)金屬是鈦，它沒有主要的抗菌特性，近半個(gè)世紀(jì)以來一直在醫(yī)療行業(yè)中經(jīng)常使用，并沒有發(fā)生重大的技術(shù)變革。由于植入物上細(xì)菌積聚，這通常會(huì)導(dǎo)致術(shù)后感染。危險(xiǎn)不僅限于手術(shù)臺(tái)上的時(shí)間，還可能在接下來的幾周或幾個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)。事實(shí)上，在最糟糕的情況下，患者可能被迫返回手術(shù)室以取出并更換植入物。然而，華盛頓州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的金屬醫(yī)用材料將消除這種危害，同時(shí)也消除了患者服用補(bǔ)充抗生素藥物的需要。

在三年的時(shí)間里，研究人員研究了 3D 打印金屬的醫(yī)學(xué)和功能特性。華盛頓州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的材料是鈦、鉭和銅的金屬復(fù)合體。最后一種元素會(huì)有效殺滅金屬表面的細(xì)菌。同時(shí)，耐腐蝕鉭金屬的使用也能夠促進(jìn)植入?yún)^(qū)域細(xì)胞和組織的連接和生長(zhǎng)。

△Ti3Al2V-Cu-Ta 合金對(duì)早期骨整合的協(xié)同抗菌功效和增強(qiáng)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(shí)通過增強(qiáng)的生物相容性實(shí)現(xiàn)早期骨形成。

該研究論文的研究人員和作者之一 Amit Bandyopadhyay 教授解釋道：“我們需要找到一種設(shè)備材料本身能夠提供一些固有抵抗力的東西——而不僅僅是提供基于藥物的感染控制。這就是我們要說的，為什么不改變材料本身并讓材料本身具有固有的抗菌反應(yīng)呢？”

論文共同作者蘇斯米塔·博斯(Susmita Bose) 教授繼續(xù)說道：“這種多功能設(shè)備的最大優(yōu)勢(shì)在于，人們可以用它來控制感染以及實(shí)現(xiàn)良好的骨組織整合。因?yàn)楦腥臼钱?dāng)今外科領(lǐng)域的一個(gè)大問題，如果有任何多功能設(shè)備能夠同時(shí)完成這兩件事，那就沒有比這更好的了�！�

△Bandyopadhyay 教授是研究團(tuán)隊(duì)的一員，該研究團(tuán)隊(duì)正在研究改進(jìn) 3D 打印金屬的開發(fā)和性能。照片來源：WSU

對(duì)3D打印抗菌金屬的研究仍在進(jìn)行中，該團(tuán)隊(duì)希望將金屬的抗菌性能從87%提高到99%。他們還希望測(cè)試 3D 打印金屬在臨床上的可行性和耐用性，以供那些有需要的患者使用。