孔隙率对增材制造多孔钽支架成骨、骨长入和骨整合的影响

供稿人：王义凯、高琳
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

多孔钽植入物是临床实践中常用于修复骨缺损的一类材料。为了提高植入物在医疗应用中的可靠性并更好地进行临床转化，迫切需要系统地研究孔隙率对SLM制备的仿小梁骨钽支架的骨形成，骨向内生长和骨整合的影响。

近来，上海交通大学医学院团队采用激光粉末床熔融技术制备了一系列不同孔隙率的仿小梁骨钽支架并进行表征，体外检验和比较大鼠间充质干细胞对支架的粘附、增殖和成骨分化能力的影响，初步得出SLM制备的仿小梁骨钽支架的最佳孔隙率范围为70%-80%。

在研究过程中，该团队设计了三种（如图1）具有不同仿生小梁孔隙率的多孔钽支架60%、70%和80%（分别表示为 Ta T60、Ta T70和Ta T80），并制备了多孔钽盘（直径10 mm×高3mm）用于体外研究和多孔钽圆柱体（直径3mm×高5mm）用于体内研究。其分别通过ALP 染色和ARS染色对ALP和钙沉积进行定性和定量分析，图2A反映了第7天和第14天时各组材料的ALP检测结果，结果表明，第7天时，Ta T60组的ALP量略高于Ta T70和Ta T80组，并且其量与第7天相比，第14天时所有三组的ALP量显着更高，组间无显着差异。ALP量化表明，在7天和14天时，Ta T70和Ta T80组中的ALP/总蛋白比率高于Ta T60。ARS染色的定性和半定量分析显示，在第14天和第21天，所有材料的表面都形成了大量红色钙结节，彼此之间没有统计学上的显着差异。

图1 不同孔隙率的多孔钽支架的三维模型（a）和总体外观（b）

图2 rBMSCs在每个多孔钽支架中的体外成骨作用：（A）和（C）7天和14天时ALP染色的外观，（B）和（D）培养7天和14天时ALP活动的定量评估

该研究结果说明，孔隙率在70%-80%范围内的多孔钽支架具有良好的成骨、骨传导性、骨整合、生物安全性和力学性能，是一种非常有前途的骨科和牙科3D打印植入物，这为今后多孔钽植入物的设计和优化提供理论参考。

参考文献：
Jiao Juyang, Hong Qimin, Zhang Dachen, Wang Minqi, Tang Haozheng, Yang Jingzhou, Qu Xinhua, Yue Bing. Influence of porosity on osteogenesis, bone growth and osteointegration in trabecular tantalum scaffolds fabricated by additive manufacturing[J]. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2023.