3D打印多孔鈦支架！新思路解決骨科難題

來源： EFL生物3D打印與生物制造

鈦因其優(yōu)異的生物相容性和承載性廣泛用于骨科和牙科植入。但由于其生物活性較低和相較于皮質(zhì)骨（約20 GPa）和松質(zhì)骨（小于4 GPa）的彈性模量較高的特點(diǎn)（100-110 GPa），導(dǎo)致應(yīng)力遮蔽和無菌性松動等問題。多孔鈦通過降低植入物剛度并促進(jìn)骨與植入物的生長來解決這些問題。彈性模量是材料固有的現(xiàn)象，與孔隙率無關(guān)，而剛度則結(jié)合幾何設(shè)計(jì)，在宏觀水平上抵抗變形的能力。使用金屬粉末和添加空隙保持劑粉末（如糖、鎂或鹽類）來設(shè)計(jì)高孔隙率的PM，通過部分燒結(jié)技術(shù)，能夠在3D打印支撐結(jié)構(gòu)中引入微孔網(wǎng)絡(luò)，形成多層次孔隙。宏觀通道（>300 μm）促進(jìn)細(xì)胞的滲透、遷移和血管化，而微孔（~100 μm）則增強(qiáng)骨小梁和骨元的固定，從而增加植入物的穩(wěn)定性�？字�間的連接（稱為孔窗）對骨細(xì)胞的滲透深度和最終錨定位置起關(guān)鍵作用。多孔鈦解決長期存在的無菌松動和應(yīng)力遮蔽等骨科難題。

近日，來自美國西北大學(xué)的David C. Dunand教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了3D打印多孔鈦支架結(jié)合具有生物活性的超分子聚合物用于骨科植入的相關(guān)研究。成果以“3D-Ink-Extruded Titanium Scaffolds with Porous Struts and Bioactive Supramolecular Polymers for Orthopedic Implants”為題于09月12日發(fā)表在《Acta Biomaterialia》上。   

本文要點(diǎn)：

（1）本研究通過使用直接油墨（DIW）技術(shù)制造含有鈦和NaCl顆粒的墨水，并燒結(jié)形成具有分層多孔結(jié)構(gòu)、低剛度和高延展性的鈦支架，進(jìn)一步拓展多孔鈦的發(fā)展。支架的宏觀通道內(nèi)填充低劑量的重組骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（rhBMP-2）和由肽兩親性納米纖維和膠原蛋白組成的生物活性超分子聚合物（SPS）。（2）本文載有BMP-2的支架在大鼠后外側(cè)腰椎融合模型中植于L4和L5橫突之間。通過μCT評估支架內(nèi)骨生長，研究支架微孔性和添加的生物信號劑對骨形成反應(yīng)的影響。光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡明確支架內(nèi)約100微米的空間支撐微孔尺寸、高曲率形態(tài)以及孔窗結(jié)構(gòu)。單軸壓縮測試顯示微孔支架具有低剛度和高延展性。   

（3）結(jié)果表明，使用SPS顯著促進(jìn)骨形成，在包含微孔的支架中未發(fā)現(xiàn)顯著差異。本研究評估了SPS結(jié)合鈦支架在骨形成、骨生長和骨錨定到微孔鈦中的效果。為無菌松動和應(yīng)力遮蔽等骨科難題提供解決思路。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.09.004