华盛顿州立大学开发用于外科植入物的抗菌3D打印金属——钛钽铜新合金材料

在医疗 3D 打印领域，我们经常讨论塑料丝、光聚合物树脂和有机硅等3D打印材料的应用价值，这些3D打印部件可以帮助接受治疗的患者感到舒适并促进康复。然而，该领域不容忽视的一种材料是金属3D打印的使用。金属在医疗领域的使用是许多植入物、手术和一些假肢的重要组成部分，这些假肢通常可以陪伴患者数年甚至一生。一般来说，医疗部件的一个问题是在与人体相互作用时接受或排斥异物，从而导致不良副作用或感染。

2023年11月27日，南极熊获悉，为了更轻松地解决上述问题，华盛顿州立大学 ( WSU ) 的研究人员宣布，他们成功测试了一种具有天然抗菌功能的 3D 打印金属，为该材料有一天用于外科植入物提供了可能性。这种新型外科植入物在实验室测试中能够杀死 87% 的导致葡萄球菌感染的细菌，展现出与现有植入物一样的坚固性能，并且与周围组织良好相容。

△华盛顿州立大学的研究人员测试了新型 3D 打印材料的抗疲劳性。照片来源：WSU

相关研究以题为“Additively manufactured Ti–Ta–Cu alloys for the next-generation load-bearing implants”的论文被发表在《International Journal ofExtreme Manufacturing》期刊上。

相关论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ad07e7/meta

在测试过程中，3D 打印金属能够杀死87% 的引起感染的细菌，并且能够在不影响其作为植入式医疗设备的功能的情况下实现这一目标；它周围的组织不会排斥新的植入物。华盛顿州立大学的研究小组希望这一进展能够成为控制髋部或膝部等常见植入手术期间细菌传播的一种手段。这些手术期间和之后的细菌生长和随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够杀死有害细菌细胞的材料，许多人的治疗结果可能会得到显著改善。

△钛已被广泛应用于传统制造和3D打印医疗领域。（图片来源：TrabTech）

最常用于普通手术的标准金属是钛，它没有主要的抗菌特性，近半个世纪以来一直在医疗行业中经常使用，并没有发生重大的技术变革。由于植入物上细菌积聚，这通常会导致术后感染。危险不仅限于手术台上的时间，还可能在接下来的几周或几个月内出现。事实上，在最糟糕的情况下，患者可能被迫返回手术室以取出并更换植入物。然而，华盛顿州立大学团队研发的金属医用材料将消除这种危害，同时也消除了患者服用补充抗生素药物的需要。

在三年的时间里，研究人员研究了 3D 打印金属的医学和功能特性。华盛顿州立大学团队开发的材料是钛、钽和铜的金属复合体。最后一种元素会有效杀灭金属表面的细菌。同时，耐腐蚀钽金属的使用也能够促进植入区域细胞和组织的连接和生长。

△Ti3Al2V-Cu-Ta 合金对早期骨整合的协同抗菌功效和增强的生物相容性示意图。这些植入物通过多材料增材制造制造，可赋予持续的细菌耐药性，同时通过增强的生物相容性实现早期骨形成。

该研究论文的研究人员和作者之一 Amit Bandyopadhyay 教授解释道：“我们需要找到一种设备材料本身能够提供一些固有抵抗力的东西——而不仅仅是提供基于药物的感染控制。这就是我们要说的，为什么不改变材料本身并让材料本身具有固有的抗菌反应呢？”

论文共同作者苏斯米塔·博斯(Susmita Bose) 教授继续说道：“这种多功能设备的最大优势在于，人们可以用它来控制感染以及实现良好的骨组织整合。因为感染是当今外科领域的一个大问题，如果有任何多功能设备能够同时完成这两件事，那就没有比这更好的了。”

△Bandyopadhyay 教授是研究团队的一员，该研究团队正在研究改进 3D 打印金属的开发和性能。照片来源：WSU

对3D打印抗菌金属的研究仍在进行中，该团队希望将金属的抗菌性能从87%提高到99%。他们还希望测试 3D 打印金属在临床上的可行性和耐用性，以供那些有需要的患者使用。