可负载抗生素的3D打印复合支架

供稿人:杨帆、高琳
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

开放性骨折及植入手术后的骨感染一直以来都是骨科领域的重大挑战。为克服术后感染引发的骨髓炎，需根据感染的严重程度，对患者施用抗生素。通常，医学上采取全身施用高浓度抗生素的策略，以在感染部位达到有效浓度，但这可能导致耐药菌株的产生，并在骨再生过程中造成一定的副作用。为了避免高剂量的全身给药，同时加快骨愈合，可选择由生物可降解聚合物制成的3D组织工程支架，通过优化局部抗生素的释放，最大化目标组织浓度并最小化毒性风险。

荷兰马斯特里赫特大学的研究人员开发了一种新的制造方法，通过高温熔融挤出直接制造载药支架，具体过程如图1 所示。该复合支架由生物相容性和可生物降解的共聚物聚对苯二甲酸乙二酯/聚对苯二甲酸丁二酯（PEOT/PBT）和镁铝层双氢氧化物（MgAl）或α-磷酸锆(ZrP)组成，在层状结构中分别嵌入了抗生素环丙沙星(CFX)和庆大霉素(GTM)。这两种抗生素常用于治疗骨科感染，通过熔融复合分散在热塑性聚合物中，随后通过高温熔融挤出加工成3D支架。

图1 采用熔融挤压法制备抗菌复合支架(PEOT/ PBT—填料—抗生素)的示意图

无机填料能够通过聚合物基质持续释放抗生素，与无填料体系相比，释放时间更持久其释放速率受到填料种类、离子浓度及酸碱度等条件的限制，如图2所示。重要的是，经过高温制造过程后，这两种抗生素对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌菌株具有与未加工抗生素相同的抗菌水平，活性得到证实。此外，支架中加入填充剂和抗生素既不会影响骨髓间充质干细胞的活性，也不会阻止其成骨分化，允许基质矿化和相关成骨标记物的表达。

图2 不同条件下MgAl -CFX和ZrP-GTM共聚物复合材料的抗生素释放曲线

以上结果均表明可以通过在高温下制备的支架中直接加入抗生素来制备双功能支架，并且有可能在促进骨再生的同时改善感染管理。这一方法为今后使用其他相关抗生素和可生物降解的热塑性聚合物的研究打开了大门，从而进一步优化该系统，使之走向临床应用。

参考文献：
María Cámara-Torres, Stacy Duarte, Ravi Sinha et al. 3D additive manufactured composite scaffolds with antibiotic-loaded lamellar fillers for bone infection prevention and tissue regeneration. Bioactive Materials. 2021,6(4):1073-1082.