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

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。

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。

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.