華盛頓州立大學開發(fā)用于外科植入物的抗菌3D打印金屬——鈦鉭銅新合金材料

在醫(yī)療 3D 打印領(lǐng)域，我們經(jīng)常討論塑料絲、光聚合物樹脂和有機硅等3D打印材料的應(yīng)用價值，這些3D打印部件可以幫助接受治療的患者感到舒適并促進康復。然而，該領(lǐng)域不容忽視的一種材料是金屬3D打印的使用。金屬在醫(yī)療領(lǐng)域的使用是許多植入物、手術(shù)和一些假肢的重要組成部分，這些假肢通?？梢耘惆榛颊邤?shù)年甚至一生。一般來說，醫(yī)療部件的一個問題是在與人體相互作用時接受或排斥異物，從而導致不良副作用或感染。

2023年11月27日，南極熊獲悉，為了更輕松地解決上述問題，華盛頓州立大學 ( WSU ) 的研究人員宣布，他們成功測試了一種具有天然抗菌功能的 3D 打印金屬，為該材料有一天用于外科植入物提供了可能性。這種新型外科植入物在實驗室測試中能夠殺死 87% 的導致葡萄球菌感染的細菌，展現(xiàn)出與現(xiàn)有植入物一樣的堅固性能，并且與周圍組織良好相容。

△華盛頓州立大學的研究人員測試了新型 3D 打印材料的抗疲勞性。照片來源：WSU

相關(guān)研究以題為“Additively manufactured Ti–Ta–Cu alloys for the next-generation load-bearing implants”的論文被發(fā)表在《International Journal ofExtreme Manufacturing》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ad07e7/meta

在測試過程中，3D 打印金屬能夠殺死87% 的引起感染的細菌，并且能夠在不影響其作為植入式醫(yī)療設(shè)備的功能的情況下實現(xiàn)這一目標；它周圍的組織不會排斥新的植入物。華盛頓州立大學的研究小組希望這一進展能夠成為控制髖部或膝部等常見植入手術(shù)期間細菌傳播的一種手段。這些手術(shù)期間和之后的細菌生長和隨后的感染是植入物排斥的主要原因。借助具有天然抵抗力并能夠殺死有害細菌細胞的材料，許多人的治療結(jié)果可能會得到顯著改善。

△鈦已被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)制造和3D打印醫(yī)療領(lǐng)域。（圖片來源：TrabTech）

最常用于普通手術(shù)的標準金屬是鈦，它沒有主要的抗菌特性，近半個世紀以來一直在醫(yī)療行業(yè)中經(jīng)常使用，并沒有發(fā)生重大的技術(shù)變革。由于植入物上細菌積聚，這通常會導致術(shù)后感染。危險不僅限于手術(shù)臺上的時間，還可能在接下來的幾周或幾個月內(nèi)出現(xiàn)。事實上，在最糟糕的情況下，患者可能被迫返回手術(shù)室以取出并更換植入物。然而，華盛頓州立大學團隊研發(fā)的金屬醫(yī)用材料將消除這種危害，同時也消除了患者服用補充抗生素藥物的需要。

在三年的時間里，研究人員研究了 3D 打印金屬的醫(yī)學和功能特性。華盛頓州立大學團隊開發(fā)的材料是鈦、鉭和銅的金屬復合體。最后一種元素會有效殺滅金屬表面的細菌。同時，耐腐蝕鉭金屬的使用也能夠促進植入?yún)^(qū)域細胞和組織的連接和生長。

△Ti3Al2V-Cu-Ta 合金對早期骨整合的協(xié)同抗菌功效和增強的生物相容性示意圖。這些植入物通過多材料增材制造制造，可賦予持續(xù)的細菌耐藥性，同時通過增強的生物相容性實現(xiàn)早期骨形成。

該研究論文的研究人員和作者之一 Amit Bandyopadhyay 教授解釋道：“我們需要找到一種設(shè)備材料本身能夠提供一些固有抵抗力的東西——而不僅僅是提供基于藥物的感染控制。這就是我們要說的，為什么不改變材料本身并讓材料本身具有固有的抗菌反應(yīng)呢？”

論文共同作者蘇斯米塔·博斯(Susmita Bose) 教授繼續(xù)說道：“這種多功能設(shè)備的最大優(yōu)勢在于，人們可以用它來控制感染以及實現(xiàn)良好的骨組織整合。因為感染是當今外科領(lǐng)域的一個大問題，如果有任何多功能設(shè)備能夠同時完成這兩件事，那就沒有比這更好的了?！?/div>

△Bandyopadhyay 教授是研究團隊的一員，該研究團隊正在研究改進 3D 打印金屬的開發(fā)和性能。照片來源：WSU

對3D打印抗菌金屬的研究仍在進行中，該團隊希望將金屬的抗菌性能從87%提高到99%。他們還希望測試 3D 打印金屬在臨床上的可行性和耐用性，以供那些有需要的患者使用。