3D打印多孔鎂腳手架顯示出作為骨替代材料的潛力

魔猴君  行業(yè)資訊   1531天前

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)3D打印的可生物降解的鎂支架在關(guān)鍵尺寸骨缺損的再生中可能具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管這種方法并非沒(méi)有局限性，但研究人員認(rèn)為，所使用的溶劑澆鑄3D打印（SC-3DP）方法在制造鎂基多孔支架方面具有“前所未有的可能性”。“鎂基材料被認(rèn)為是整形外科領(lǐng)域中一種有希望的新型生物材料，因?yàn)樗梢栽隗w內(nèi)逐漸降解，同時(shí)刺激骨骼再生，并有助于骨骼缺陷的愈合。”代爾夫特大學(xué)生物力學(xué)系的Zadpoor，也是參與這項(xiàng)研究的研究人員之一。 “因此，制造多孔鎂植入物引起了越來(lái)越多的興趣?！?/span>

從鎂支架的印刷試驗(yàn)獲得的結(jié)果。通過(guò)溶劑噴涂3D打印鎂支架/ Acta Biomaterialia的圖像

骨科生物材料

少數(shù)大學(xué)研究小組最近開(kāi)始使用增材制造制造鎂基材料，其中選擇性激光熔化（SLM）是常用的方法之一。但是，由于鎂的高易燃性以及最終生產(chǎn)零件中的不良成分變化，操作安全性受到挑戰(zhàn)，因此使用這種方法的成功受到很大限制。

最近，已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試來(lái)開(kāi)發(fā)粉末床噴墨3D打印和熔絲制造（FFF）技術(shù)，然后進(jìn)行燒結(jié)步驟，以替代SLM。然而，尚未報(bào)道利用這些技術(shù)來(lái)制造拓?fù)溆行虻亩嗫譓g支架。Zadpoor解釋說(shuō)：“由于鎂粉在高激光能量下具有高度可燃性，因此操作安全是制造鎂支架時(shí)遇到的主要挑戰(zhàn)。使用更高的激光功率還會(huì)增加鎂蒸發(fā)的機(jī)會(huì)，并在SLM過(guò)程中產(chǎn)生明顯的熱梯度，從而使制造過(guò)程變得昂貴。”

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的材料研究人員采用另一種方法，開(kāi)發(fā)了一種基于增材制造的程序，使用3D打印的鹽模板制作具有規(guī)則孔隙率的鎂支架。盡管這項(xiàng)工作只是宣布時(shí)的概念證明，但參與研究的研究人員認(rèn)為，這些鎂支架具有制造可生物吸收的骨植入物的潛力。

ETH研究人員打印的鹽結(jié)構(gòu)（中心）3D模板。圖片來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院。

除了基于鎂的研究之外，還有3D打印支架的其他一些實(shí)際應(yīng)用。去年，來(lái)自英國(guó)動(dòng)物健康基金會(huì)（AHT）和東英吉利大學(xué)（UEA）的科學(xué)家使用了3D打印的BendLay聚碳酸酯長(zhǎng)絲支架來(lái)支持馬的骨骼再生。這些3D打印支架用于成功進(jìn)行體外成骨細(xì)胞，證明了通過(guò)稱(chēng)為細(xì)胞接種的過(guò)程生成3D骨構(gòu)建體的可行性。

最近，德克薩斯A＆M大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的科學(xué)家通過(guò)對(duì)新生物材料的開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究，在3D生物打印功能組織領(lǐng)域取得了進(jìn)展。該領(lǐng)域的早期跡象表明，增材制造可用于治療諸如關(guān)節(jié)炎，骨折，牙齒感染和顱面缺陷之類(lèi)的缺陷和病癥。

萊斯大學(xué)和馬里蘭大學(xué)（UMD）在這一特定領(lǐng)域取得了其他進(jìn)步，科學(xué)家們概述了3D打印人造骨組織的新概念驗(yàn)證，以幫助修復(fù)與關(guān)節(jié)炎和運(yùn)動(dòng)事故有關(guān)的損傷。“ 3D打印有可能在將來(lái)部分取代傳統(tǒng)制造，特別是在定制的或針對(duì)特定患者的植入物和復(fù)雜的多孔制造中，代爾夫特生物力學(xué)部門(mén)的周杰補(bǔ)充說(shuō)，這是參與Solvent-Cast研究的一位研究人員鎂支架的3D打印研究。 “ 3D打印為臨床治療策略提供了更多可能性，并且在節(jié)省原始材料和縮短交貨時(shí)間方面將有助于顯著降低制造成本。”

Akhilesh Gaharwar博士和他的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)正在尋找新的方法來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)3D生物打印的骨骼組織，以促進(jìn)骨骼再生。圖片來(lái)自德州A＆M工程公司。

SC-3DP研究

在研究過(guò)程中，研究人員提出了一種基于室溫?cái)D壓的增材制造方法，即SC-3DP，以制造拓?fù)溆行虻亩嗫祖V支架，該步驟由三個(gè)步驟組成。第一步涉及制備具有所需流變特性的負(fù)載鎂粉的墨水，這是指材料響應(yīng)于施加的應(yīng)力而變形或流動(dòng)的方式。然后將油墨與由聚合物或揮發(fā)性溶劑組成的粘合劑體系一起通過(guò)噴嘴擠出，并印刷到具有0°/ 90°/ 0°層的支架中。最后，進(jìn)行脫脂和燒結(jié)過(guò)程，以通過(guò)應(yīng)用液相燒結(jié)策略去除油墨中的粘合劑并結(jié)合鎂粉顆粒。

鎂支架的制造步驟和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。鎂支架/ Acta Biomaterialia的溶劑澆鑄3D打印圖像。

對(duì)制備的油墨進(jìn)行了流變學(xué)分析，分別以54％，58％和62％的體積填充鎂粉，以揭示支架的粘彈性。粘彈性是指材料在變形時(shí)既顯示粘性又顯示彈性的特性。還進(jìn)行了支架的熱重分析（TGA），傅立葉變換紅外光譜（FTIR），碳和硫分析以及掃描電子顯微鏡（SEM），這表明脫脂和燒結(jié)的步驟很可能是一個(gè)步驟。最終產(chǎn)物支架具有高孔隙率，包含分層且相互連接的孔。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，這項(xiàng)研究首次證明了SC-3DP技術(shù)可以成功地制造出鎂基多孔支架材料，并有可能被用作骨替代材料。

點(diǎn)評(píng)：在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，臨界大小的骨缺損的再生仍然是臨床上的挑戰(zhàn)，通常需要植骨材料。以前，科學(xué)家已經(jīng)使用生物惰性鈦和PEKK等傳統(tǒng)材料進(jìn)行3D打印植入物。然而，這些金屬通常需要第二次手術(shù)以去除植入物。另外，為這些應(yīng)用而設(shè)計(jì)的可用移植物和許多現(xiàn)有的合成生物材料不能滿(mǎn)足所有的臨床要求，這意味著需要開(kāi)發(fā)新一代合適的骨替代物。

近年來(lái)，基于鎂的生物可降解金屬被認(rèn)為在此類(lèi)骨科應(yīng)用中很有前途，因?yàn)榭梢詫?duì)其進(jìn)行更改，使其具有骨骼缺損再生所需的機(jī)械和生物學(xué)方面。與制造多孔鎂支架的傳統(tǒng)技術(shù)相比，增材制造的進(jìn)步提供了更大程度的設(shè)計(jì)，制造靈活性和效率，因此可以生產(chǎn)具有精確控制的拓?fù)鋮?shù)的完全互連的多孔結(jié)構(gòu)。

特別是，SC-3DP方法具有巨大的潛力，可以克服目前用于制造多孔鎂支架的其他AM技術(shù)的材料，技術(shù)和結(jié)構(gòu)限制。根據(jù)研究結(jié)果，SC-3DP具有多種優(yōu)勢(shì)，例如在環(huán)境條件下進(jìn)行3D打印，易于調(diào)整墨水成分，設(shè)備投資低以及具有制造具有分層孔和所需合金成分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的潛力。SC-3DP方法也已證明在鋼，鐵，鈦基和鎳基微桁架的增材制造中是可行的。

所制成樣品的宏觀照片：（a）3D打印樣品，（b）在650°C下燒結(jié)5分鐘的樣品，

以及（c）從μCT圖像重建的燒結(jié)樣品。鎂支架的溶劑澆鑄3D打印/ Acta Biomaterialia。

該領(lǐng)域的未來(lái)研究

本質(zhì)上，從這項(xiàng)研究中獲得的結(jié)果提供了一種制造適合骨科應(yīng)用的可生物降解的鎂支架的新方法。 Zadpoor表示，盡管如此，在這一領(lǐng)域仍需進(jìn)一步研究。他總結(jié)說(shuō)：“我們將繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以研究添加劑制造的人造鎂支架的性能。下一步，需要根據(jù)生物力學(xué)穩(wěn)定性，生物降解能力和成骨能力評(píng)估鎂支架的體外和體內(nèi)性能?！?/span>

來(lái)源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shendujiedu/39627.html