上海九院等关于3D打印Mg-Nd-Zn-Zr镁合金植入物治疗骨感染的实验研究-金属3D打印工厂

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上海九院等关于3D打印Mg-Nd-Zn-Zr镁合金植入物治疗骨感染的实验研究

| 3DScienceValley · 2022/07/07

上海九院等关于3D打印Mg-Nd-Zn-Zr镁合金植入物治疗骨感染的实验研究

理想的骨修复材料除具备良好的生物学活性与力学性能外,还应具备内部连通的多孔结构与个性化的几何外观。

上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科郝永强教授、上海交通大学材料科学与工程学院付彭怀副研究员等学者组成的研究团队,在一项研究中采用激光粉末床熔化增材制造技术制备了力学性能适配的3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr骨修复支架,并通过体内外实验研究其生物安全性与抗菌性能。

本期谷.专栏,将分享这一项研究成果的主要内容。

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相关研究发表在Bioactive Materials, 8, (2022) 140-152.

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.06.032

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 研究实验及结果

金属植入物被广泛应用于骨科领域。植入物感染是骨科手术后最严重的并发症之一。传统上,植入物感染的治疗方案包括手术清创、全身抗生素治疗和局部抗生素治疗等,将不可避免地导致二次手术及各类并发症,也造成了严重的社会经济负担。因此,亟需研发一种具备抗感染性能的骨植入物材料用于预防和治疗此类感染。

鉴于其良好的生物相容性、骨诱导性和力学性能,可降解镁合金被视为新一代骨修复材料。既往研究表明,镁合金降解产生的碱性微环境具备广谱杀菌性能,可有效抑制革兰氏阳性及革兰氏阴性细菌的生长。因此,镁合金作为一种兼具抗菌和成骨性能的可生物降解材料,具有良好的临床转化前景。

理想的骨修复材料应具备内部连通的多孔结构与个性化的几何外观。目前,多孔镁合金植入物的主要制备方法包括熔模铸造法、粉末冶金法、溶体发泡法等方法,能够制备具有完全内部连通多孔结构的镁合金骨修复支架,但无法实现多孔镁合金内部孔隙结构的精准控制

近年来,金属增材制造技术的发展,为制备孔隙结构可调、内连通性可控的镁合金骨修复支架提供了新思路。然而,镁金属化学性质活泼,极易燃,采用激光或电子束制备3D打印镁合金存在诸多挑战,其体内生物学作用与功能亦未见报道。因此,研究团队通过医工交叉合作,采用激光粉末床熔化技术,制备3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr骨修复支架,并通过体内外实验系统评估其抗菌性能与生物安全性,为3D打印镁合金植入物的研发与临床转化提供依据。

设计具有钻石型结构单元的多孔骨修复支架,支架设计孔径为400μm。支架设计完成后,导出slt格式打印文件,用于后续打印。通过气体雾化法成功制备了Mg-Nd-Zn-Zr镁合金粉末,粉末球型度高,平均粒径为63.9 ± 14.5μm,符合3D打印要求(图 1)。

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图1. 3D 打印JDBM植入物的设计和 Mg-Nd-Zn-Zr 粉末的表征。a) 钻石型晶胞。b) 计算机辅助设计模型的俯视图。c) 计算机辅助设计模型的侧视图。d) Mg-Nd-Zn-Zr 粉末的 SEM 图像。e) Mg-Nd-Zn-Zr 粉末的粒度分布。

经后处理后,3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架多孔结构分布均匀,324.6±25.7μm,孔隙率为 52.1±1.6%。同时,通过体外浸泡实验,初步评价3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架的降解性能(图 2)。

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图 2. 3D打印JDBM 植入物的表征和降解行为。a) 3D打印JDBM植入物的表面形态。b) 3D 打印的JDBM植入物光学显微镜图像。c) 从侧面观察到的制造和固溶处理的 3D打印JDBM植入物SEM 图像。d) 浸泡1-7 天后释放氢气。e) 浸泡 1-7 天后的 Mg2+ 浓度。

体外实验结果表明,3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架具备良好的生物安全性与促成骨活性(图3)。

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图3. 体外细胞相容性和成骨分化。a) 细胞活力,b) 活/死细胞,和 c) 用不同提取物浓度培养的 MC3T3-E1 细胞的细胞形态。d) 培养 7 天后的 ALP 染色。e) 用不同提取物浓度培养21天的细胞的茜素红染色。

3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架可显著抑制MRSA 粘附及细菌生物膜形成(图 4)。

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图4. 3D打印JDBM植入物的体外抗菌活性。a) 在不同培养基中培养 1、3、6、12 和 24 小时后MRSA 的生物膜形成。b) 孵育 24 小时后 MRSA 生物膜对结晶紫的吸收。c) 培养 1、3、6、12 和 24 小时后细菌浓度的半定量分析。d) 在不同培养基中培养的 MRSA 的代表性图像。e) 培养 24 h 后菌落数的统计分析。*p < 0.05。

动物实验结果表明,3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架可有效预防植入物感染形成(图 5)。

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图5. 种植体相关感染的组织学评估。a) 植入后4周对种植体周围组织进行Masson和Giemsa染色。b) 植入后 5天和10 天,HE染色和免疫组织化学检测骨-植入物界面处的 TNF-α 分泌。

此外,3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架具备良好的生物安全性。3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架植入后,实验动物心、肝、脾、肺、肾未见 明显组织学异常改变(图 6),实验动物主要脏器镁离子含量未见异常升高(表1)。

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图6. HE染色评估心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏的组织微观结构。

表1 植入后4周实验动物的血液检查结果。

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综上所述,在这项研究中,研究团队通过选择性激光熔化技术实现了3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架的制备,通过体内、 外实验证实其具备良好的生物安全性与抗感染性能,为其临床转化提供依据。

l 论文作者信息

共同第一作者:

谢凯 l 博士、上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科

王南清 l 硕士,上海交通大学

郭煜 l 博士,北京大学人民医院

通讯作者:

郝永强 l 博士、上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科,主任医师、教授、博士生导师,国家重点研发计划首席科学家。

付彭怀 l 博士,上海交通大学材料科学与工程学院,副研究员、博士、硕士生导师

*注:文中3D打印JDBM植入物指力学性能适配的3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr骨修复支架

l 谷专栏 l

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