新型选择性激光熔化钛-钽-铌-锆合金支架的骨再生和骨整合效应研究

3D打印快讯
2020
08/04
15:48
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供稿人:吕佳侨、高琳
供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室         

在临床实践中,自体或异体骨移植已广泛应用于骨缺损修复。因此,包括金属材料和高分子材料的各种人造骨材料受到人们广泛的关注。Ti-Ta-Nb-Zr合金具有最佳的耐腐蚀性能,钽和铌有促进骨再生能力,锆可以改变合金的晶格结构,,提高更高的强度。然而,传统方法制作的支架存在孔径不规则、力学性能不合适、孔间连通性差等缺点。因此,大量的努力致力于修改Ti-Ta-Nb-Zr种植体的多孔结构和力学性能。

随着3D打印技术的发展,利用计算机辅助设计模型、计算机成像数据,可以获得形态各异的种植体。在现有的几种3D打印技术中,SLM以其稳定性和准确性得到了广泛的应用。

上海交通大学医学院的研究人员使用SLM打印多孔Ti-Ta-Nb-Zr支架,并将其应用于骨修复的研究。并且探讨了支架的生物安全性,对其成骨活性和骨整合能力进行了评价。

研究者首先采用SLM技术打印了Ti6Al4V多孔支架和Ti-Ta-Nb-Zr合金支架,然后进行力学性能测试和材料表征,最后进行细胞培养对比二者的成骨活性和骨整合能力。多孔支架三维结构分析如下图所示。

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图1.用于体外研究的多孔支架:(A)支架的计算机辅助设计和空白支架的半显微照片(B)EDS分析。
细胞增殖和粘附实验中,用CCK-8分析法评估种植在支架上的细胞的增殖,结果显示多孔Ti-Ta-Nb-Zr合金组和多孔Ti6Al4V组的细胞数量随着培养时间的增加而增加。结果表明,SLM制备的支架具有良好的生物相容性。在半定量分析中,在第1天,多孔支架上的细胞活性没有显著差异,但在第3、5和7天,Ti-Ta-Nb-Zr合金组的细胞活性明显高于Ti6Al4V组。


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图2.(A)扫描电镜观察细胞在两组支架上的粘附情况。(B) 细胞增殖实验结果(*P<0.05)。
成骨分化的评价:第7天检测到碱性磷酸酶活性;Ti-Ta-Nb-Zr合金组的活性高于Ti6Al4V组。此外,第21天茜素红S染色的半定量分析表明,两组均形成矿化结节,Ti-Ta-Nb-Zr合金组的钙结节形成水平高于Ti6Al4V组。结果表明,新型多孔Ti-Ta-Nb-Zr合金支架增强了hBMSCs成骨相关基因的表达,促进了hBMSCs的成骨分化。

固定在骨内的植入物旨在恢复骨的功能丧失,为骨缺损或骨折修复提供桥梁,并具有广泛的临床应用。这些植入物必须具备的主要性能是足够的机械强度、优异的生物相容性和加速的能力骨修复和骨整合。实验结果表明,用SLM制备的多孔Ti-Ta-Nb-Zr合金支架在体内外修复骨缺损方面具有上述优点。因此,新型三维多孔Ti-Ta-Nb-Zr合金支架比传统三维多孔Ti6Al4V支架具有更好的促进骨再生和骨整合的作用,在骨科植入物方面有良好的发展前景。

参考文献:
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.

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