新型選擇性激光熔化鈦-鉭-鈮-鋯合金支架的骨再生和骨整合效應研究

供稿人:呂佳僑、高琳
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　        

在臨床實踐中，自體或異體骨移植已廣泛應用于骨缺損修復。因此，包括金屬材料和高分子材料的各種人造骨材料受到人們廣泛的關(guān)注。Ti-Ta-Nb-Zr合金具有最佳的耐腐蝕性能，鉭和鈮有促進骨再生能力，鋯可以改變合金的晶格結(jié)構(gòu)，，提高更高的強度。然而，傳統(tǒng)方法制作的支架存在孔徑不規(guī)則、力學性能不合適、孔間連通性差等缺點。因此，大量的努力致力于修改Ti-Ta-Nb-Zr種植體的多孔結(jié)構(gòu)和力學性能。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，利用計算機輔助設(shè)計模型、計算機成像數(shù)據(jù)，可以獲得形態(tài)各異的種植體。在現(xiàn)有的幾種3D打印技術(shù)中，SLM以其穩(wěn)定性和準確性得到了廣泛的應用。

上海交通大學醫(yī)學院的研究人員使用SLM打印多孔Ti-Ta-Nb-Zr支架，并將其應用于骨修復的研究。并且探討了支架的生物安全性，對其成骨活性和骨整合能力進行了評價。

研究者首先采用SLM技術(shù)打印了Ti6Al4V多孔支架和Ti-Ta-Nb-Zr合金支架，然后進行力學性能測試和材料表征，最后進行細胞培養(yǎng)對比二者的成骨活性和骨整合能力。多孔支架三維結(jié)構(gòu)分析如下圖所示。

圖1.用于體外研究的多孔支架：（A）支架的計算機輔助設(shè)計和空白支架的半顯微照片（B）EDS分析。

細胞增殖和粘附實驗中，用CCK-8分析法評估種植在支架上的細胞的增殖，結(jié)果顯示多孔Ti-Ta-Nb-Zr合金組和多孔Ti6Al4V組的細胞數(shù)量隨著培養(yǎng)時間的增加而增加。結(jié)果表明，SLM制備的支架具有良好的生物相容性。在半定量分析中，在第1天，多孔支架上的細胞活性沒有顯著差異，但在第3、5和7天，Ti-Ta-Nb-Zr合金組的細胞活性明顯高于Ti6Al4V組。

圖2.（A）掃描電鏡觀察細胞在兩組支架上的粘附情況。（B） 細胞增殖實驗結(jié)果（*P<0.05）。

成骨分化的評價：第7天檢測到堿性磷酸酶活性；Ti-Ta-Nb-Zr合金組的活性高于Ti6Al4V組。此外，第21天茜素紅S染色的半定量分析表明，兩組均形成礦化結(jié)節(jié)，Ti-Ta-Nb-Zr合金組的鈣結(jié)節(jié)形成水平高于Ti6Al4V組。結(jié)果表明，新型多孔Ti-Ta-Nb-Zr合金支架增強了hBMSCs成骨相關(guān)基因的表達，促進了hBMSCs的成骨分化。

固定在骨內(nèi)的植入物旨在恢復骨的功能喪失，為骨缺損或骨折修復提供橋梁，并具有廣泛的臨床應用。這些植入物必須具備的主要性能是足夠的機械強度、優(yōu)異的生物相容性和加速的能力骨修復和骨整合。實驗結(jié)果表明，用SLM制備的多孔Ti-Ta-Nb-Zr合金支架在體內(nèi)外修復骨缺損方面具有上述優(yōu)點。因此，新型三維多孔Ti-Ta-Nb-Zr合金支架比傳統(tǒng)三維多孔Ti6Al4V支架具有更好的促進骨再生和骨整合的作用，在骨科植入物方面有良好的發(fā)展前景。

參考文獻：
Study of Bone Regeneration and Osteointegration Effect of a Novel Selective Laser-Melted Titanium-Tantalum-Niobium-Zirconium Alloy Scaffold. Yu Guo, Junxiang Wu, Kai Xie, Jia Tan, Yangzi Yang, Shuang Zhao, Lei Wang, Wenbo Jiang, and Yongqiang Hao ACS Biomaterials Science & Engineering 2019 5 (12), 6463-6473.