3D打印骨植入物實現(xiàn)定制化抗生素釋放，助力骨修復(fù)與感染防控

南極熊導(dǎo)讀：與傳統(tǒng)方法相比，3D打印植入物給藥方式能夠提供更佳的控制性、靶向釋放和患者個性化定制。雖然該領(lǐng)域尚未成為主流，但它是一個新興的研究領(lǐng)域，在癌癥治療、骨科和感染管理等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?br />

△3D打印植入物的SEM圖像：(a)和(b)為垂直剖面圖，(c)和(d)為橫截面圖

2025年7月12日，南極熊獲悉，浙江大學(xué)與臺州學(xué)院的研究團隊，成功開發(fā)出一種結(jié)合結(jié)構(gòu)支撐與靶向抗生素輸送功能的3D打印骨固定植入物，為骨科植入物的功能性與生物相容性提升帶來新進展。

用于骨修復(fù)的骨科植入物通常因生物相容性差或治療功能不足而受到限制。這項研究通過引入一種不僅能支撐骨骼愈合，還能控制植入部位感染的植入物，解決了這兩個問題。研究使用了市售的Anycubic Photon和Mono X 3D打印機，凸顯了醫(yī)療環(huán)境中便捷、可定制制造的潛力。

△相關(guān)成果已發(fā)表于《Scientific Reports》期刊，研究題目為“3D打印骨釘裝載頭孢曲松鈉用于局部藥物輸送”（傳送門）

將結(jié)構(gòu)與藥物輸送相結(jié)合

為了制造植入物，研究團隊首先開發(fā)了一種定制樹脂配方。他們將乙氧基化雙酚A二甲基丙烯酸酯(BPA2EODMA)與三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA)以7:3的比例混合，這是兼具強度和打印性能的最佳混合比例。該配方中還添加了1%的TPO光引發(fā)劑，以實現(xiàn)紫外線固化。

研究人員使用SolidWorks軟件設(shè)計了植入物，并以50微米的分辨率逐層打印。打印完成后，對部件進行后固化，以確保植入物完全硬化。電子顯微鏡圖像顯示，植入物外層致密堅固，具有良好的機械強度，而內(nèi)部則保持多孔結(jié)構(gòu)，非常適合儲存和緩慢釋放抗生素。

測試表明，這些植入物能夠承受非承重骨修復(fù)所需范圍內(nèi)的力，例如面部或顱骨。此外，還對植入物進行了三種不同抗生素濃度（1%、5%和10%）的測試，并使用聚乙二醇(PEG)幫助藥物在樹脂中分散。較低濃度的藥物分散更均勻，而較高濃度的藥物會形成一些晶體，但不會影響植入物性能。

△啞鈴形樣品尺寸圖（A）、采用Solidworks軟件設(shè)計的各種植入物（B）、由光固化樹脂制備的半空心植入物（C）

藥物釋放和抗菌作用

在實驗室測試中，體外藥物釋放實驗顯示，植入物表現(xiàn)出典型的兩階段釋放模式：前24小時快速釋放，隨后緩慢持續(xù)擴散。最高濃度下，三天內(nèi)釋放約80%抗生素。研究人員還發(fā)現(xiàn)，固化時間對釋放速率有顯著影響，固化越充分，藥物釋放越緩慢。

這些植入物針對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌等常見病原體進行了測試。所有植入物均表現(xiàn)出明顯的抗菌效果，在八小時內(nèi)抑制了約50%的微生物生長。為了測試植入物在生物環(huán)境下的表現(xiàn)，研究小組將L929成纖維細胞暴露于細菌感染環(huán)境中。載有藥物的植入物幫助細胞存活，存活率與直接使用抗生素相似。

△機械性能和3D打印半空心植入物

即使在全濃度提取物濃度下，植入物在細胞毒性試驗中仍保持了70%以上的細胞活力，符合ISO 10993-5標(biāo)準(zhǔn)。盡管樹脂中的一種成分TPO在高劑量下可能有毒，但低濃度使用和完全固化工藝似乎可以降低任何重大風(fēng)險。

團隊指出，這項研究目前仍處于早期階段，尚需進一步動物實驗及長期體內(nèi)評價，以驗證這種3D打印植入物在實際臨床環(huán)境下的表現(xiàn)。未來工作將聚焦多藥物聯(lián)合釋放、促進骨愈合及抗生素耐藥性防控等方向�？偟膩碚f，這項研究展示了3D打印技術(shù)在定制化、功能化骨科植入物領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，推動精準(zhǔn)醫(yī)療和智能制造深度融合。