3D打印的可生物降解鎂支架，在骨缺損再生或?qū)⒂泻芎玫膽?yīng)用

2020年9月14日，南極熊獲悉，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，3D打印的可生物降解鎂支架，在骨缺損再生中可能會(huì)有很好的應(yīng)用。

研究人員認(rèn)為，所使用的溶劑澆鑄3D打?。⊿C－3DP）方法，對(duì)于鎂基多孔支架的制造具有 ＂前所未有的可能性＂。

本研究的參與者，代爾夫特生物力學(xué)系的Amir Zadpoor教授說(shuō)：＂鎂基材料一直被認(rèn)為是一類新的有前景的生物材料，在骨科應(yīng)用中，它可以在體內(nèi)逐漸降解，同時(shí)，刺激骨再生，幫助骨缺損的愈合過(guò)程，因此，制造多孔鎂植入物正引起越來(lái)越多的關(guān)注。＂

△鎂支架的打印試驗(yàn)結(jié)果，圖片來(lái)源于《Solvent－cast 3D printing of magnesium scaffolds》／Acta Biomaterialia

生物材料在骨科中的應(yīng)用

最近，有些大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始使用3D打印技術(shù)制造鎂基材料，選擇性激光熔化（SLM）是常用的方法之一。然而，使用這種技術(shù)的成功率不高，因?yàn)殒V具有高可燃性，而且最終生產(chǎn)的部件中會(huì)有不理想的成分變化，會(huì)帶來(lái)操作安全方面的挑戰(zhàn)。

當(dāng)然，也有一些其他的嘗試，比如使用粉末床噴墨3D打印和熔融堆積制造（FFF）技術(shù)，然后再進(jìn)行脫脂燒結(jié)，以替代SLM技術(shù)。然而，利用這些技術(shù)來(lái)制造拓?fù)溆行虻亩嗫譓g支架還沒(méi)有被報(bào)道。

Zadpoor表示：＂由于鎂粉在高激光能量下的高可燃性，安全性是鎂支架制造過(guò)程中遇到的首要挑戰(zhàn)。＂

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員，開(kāi)發(fā)了一種基于增材制造的方法，利用3D打印的鹽模板，制造出具有規(guī)則孔隙度的鎂支架。雖然這項(xiàng)工作在公布時(shí)只是一個(gè)概念驗(yàn)證，但研究人員認(rèn)為這些鎂支架有可能創(chuàng)造出可生物吸收的骨植入物。

SC－3DP研究

代爾夫特理工大學(xué)研究人員，提出了一種基于室溫?cái)D出的增材制造方法，即SC－3DP，以制造拓?fù)溆行虻亩嗫祖V支架，制造過(guò)程由三個(gè)步驟組成：

第一階段：制備具有所需流變特性的鎂粉負(fù)載油墨，流變特性是指材料在施加的應(yīng)力下變形或流動(dòng)的方式。

第二階段：墨水與由聚合物或揮發(fā)性溶劑組成的粘結(jié)劑混合在一起，通過(guò)噴嘴擠出，并打印成0°／90°／0°層的支架。

第三階段：去除油墨中的粘結(jié)劑，通過(guò)液相燒結(jié)策略進(jìn)行脫膠和燒結(jié)。

△鎂支架的制造步驟和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)制備的油墨進(jìn)行流變分析，鎂粉負(fù)載量分別為54％、58％和62％，揭示了支架的粘彈性特性。粘彈性是指材料在發(fā)生變形時(shí)，同時(shí)表現(xiàn)出粘性和彈性的特性。

支架的熱重分析（TGA）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、碳硫分析和掃描電子顯微鏡（SEM）也進(jìn)行了分析，表明脫膠和燒結(jié)可能在一個(gè)步驟中完成。

最終支架具有較高的孔隙率，含有層次分明且相互連接的孔隙。研究人員首次證明SC－3DP技術(shù)可成功制造鎂基多孔支架，并具有作為骨替代材料的潛力。

研究結(jié)果的意義

骨缺損的再生一直是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的臨床難題，通常需要骨移植材料。此前，科學(xué)家們已經(jīng)使用生物惰性鈦和PEKK等材料3D打印植入物。然而，這些金屬往往需要第二次手術(shù)進(jìn)行植入物取出。此外，現(xiàn)有的移植物和合成生物材料并不能滿足所有的臨床要求，需要開(kāi)發(fā)新一代合適的骨替代品。

近年來(lái)，鎂基生物降解金屬被認(rèn)為是這類骨科應(yīng)用的希望，它們同時(shí)具備骨缺損再生所需的機(jī)械和生物特性。此外，增材制造技術(shù)為制造多孔鎂支架提供了更大的設(shè)計(jì)、制造靈活性和效率。

特別是SC－3DP方法，與其他3D打印技術(shù)相比，在材料、技術(shù)和結(jié)構(gòu)上具有很大的優(yōu)勢(shì)。包括：在常溫條件下進(jìn)行3D打印，墨水的組分易于調(diào)整，設(shè)備投資低，并有可能制造出具有層次孔隙和所需合金成分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

SC－3DP方法在鋼、鐵、鈦基和鎳基微桁架的增材制造中也是可行的。

△（a）3D打印的樣品，（b）在650℃下燒結(jié)5分鐘的樣品，（c）從μCT圖像重建的燒結(jié)樣品

更多的研究細(xì)節(jié)可參見(jiàn)發(fā)表在《Acta Biomaterialia》雜志上的題為 ＂Solvent－cast 3D printing of magnesium scaffolds ＂的文章。該文章由J． Dong、Y． Li、P． Lin、M．A． Leeflang、S． van Asperen、K． Yu、N． Tümer、B． Norder、A．A． Zadpoor和J． Zhou共同撰寫(xiě)。
責(zé)編AJX