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3D打印多孔镁脚手架显示出作为骨替代材料的潜力

荷兰代尔夫特理工大学的研究人员发现3D打印的可生物降解的镁支架在关键尺寸骨缺损的再生中可能具有广阔的应用前景。尽管这种方法并非没有局限性，但研究人员认为，所使用的溶剂浇铸3D打印（SC-3DP）方法在制造镁基多孔支架方面具有“前所未有的可能性”。“镁基材料被认为是整形外科领域中一种有希望的新型生物材料，因为它可以在体内逐渐降解，同时刺激骨骼再生，并有助于骨骼缺陷的愈合。”代尔夫特大学生物力学系的Zadpoor，也是参与这项研究的研究人员之一。 “因此，制造多孔镁植入物引起了越来越多的兴趣。”

从镁支架的印刷试验获得的结果。通过溶剂喷涂3D打印镁支架/ Acta Biomaterialia的图像

骨科生物材料

少数大学研究小组最近开始使用增材制造制造镁基材料，其中选择性激光熔化（SLM）是常用的方法之一。但是，由于镁的高易燃性以及最终生产零件中的不良成分变化，操作安全性受到挑战，因此使用这种方法的成功受到很大限制。

最近，已经进行了一些尝试来开发粉末床喷墨3D打印和熔丝制造（FFF）技术，然后进行烧结步骤，以替代SLM。然而，尚未报道利用这些技术来制造拓扑有序的多孔Mg支架。Zadpoor解释说：“由于镁粉在高激光能量下具有高度可燃性，因此操作安全是制造镁支架时遇到的主要挑战。使用更高的激光功率还会增加镁蒸发的机会，并在SLM过程中产生明显的热梯度，从而使制造过程变得昂贵。”

瑞士苏黎世联邦理工学院的材料研究人员采用另一种方法，开发了一种基于增材制造的程序，使用3D打印的盐模板制作具有规则孔隙率的镁支架。尽管这项工作只是宣布时的概念证明，但参与研究的研究人员认为，这些镁支架具有制造可生物吸收的骨植入物的潜力。

ETH研究人员打印的盐结构（中心）3D模板。图片来自苏黎世联邦理工学院。

除了基于镁的研究之外，还有3D打印支架的其他一些实际应用。去年，来自英国动物健康基金会（AHT）和东英吉利大学（UEA）的科学家使用了3D打印的BendLay聚碳酸酯长丝支架来支持马的骨骼再生。这些3D打印支架用于成功进行体外成骨细胞，证明了通过称为细胞接种的过程生成3D骨构建体的可行性。

最近，德克萨斯A＆M大学生物医学工程系的科学家通过对新生物材料的开发进行研究，在3D生物打印功能组织领域取得了进展。该领域的早期迹象表明，增材制造可用于治疗诸如关节炎，骨折，牙齿感染和颅面缺陷之类的缺陷和病症。

莱斯大学和马里兰大学（UMD）在这一特定领域取得了其他进步，科学家们概述了3D打印人造骨组织的新概念验证，以帮助修复与关节炎和运动事故有关的损伤。“ 3D打印有可能在将来部分取代传统制造，特别是在定制的或针对特定患者的植入物和复杂的多孔制造中，代尔夫特生物力学部门的周杰补充说，这是参与Solvent-Cast研究的一位研究人员镁支架的3D打印研究。 “ 3D打印为临床治疗策略提供了更多可能性，并且在节省原始材料和缩短交货时间方面将有助于显着降低制造成本。”

Akhilesh Gaharwar博士和他的跨学科团队正在寻找新的方法来设计和生产3D生物打印的骨骼组织，以促进骨骼再生。图片来自德州A＆M工程公司。

SC-3DP研究

在研究过程中，研究人员提出了一种基于室温挤压的增材制造方法，即SC-3DP，以制造拓扑有序的多孔镁支架，该步骤由三个步骤组成。第一步涉及制备具有所需流变特性的负载镁粉的墨水，这是指材料响应于施加的应力而变形或流动的方式。然后将油墨与由聚合物或挥发性溶剂组成的粘合剂体系一起通过喷嘴挤出，并印刷到具有0°/ 90°/ 0°层的支架中。最后，进行脱脂和烧结过程，以通过应用液相烧结策略去除油墨中的粘合剂并结合镁粉颗粒。

镁支架的制造步骤和设计结构示意图。镁支架/ Acta Biomaterialia的溶剂浇铸3D打印图像。

对制备的油墨进行了流变学分析，分别以54％，58％和62％的体积填充镁粉，以揭示支架的粘弹性。粘弹性是指材料在变形时既显示粘性又显示弹性的特性。还进行了支架的热重分析（TGA），傅立叶变换红外光谱（FTIR），碳和硫分析以及扫描电子显微镜（SEM），这表明脱脂和烧结的步骤很可能是一个步骤。最终产物支架具有高孔隙率，包含分层且相互连接的孔。根据研究人员的说法，这项研究首次证明了SC-3DP技术可以成功地制造出镁基多孔支架材料，并有可能被用作骨替代材料。

在现代医学中，临界大小的骨缺损的再生仍然是临床上的挑战，通常需要植骨材料。以前，科学家已经使用生物惰性钛和PEKK等传统材料进行3D打印植入物。然而，这些金属通常需要第二次手术以去除植入物。另外，为这些应用而设计的可用移植物和许多现有的合成生物材料不能满足所有的临床要求，这意味着需要开发新一代合适的骨替代物。

近年来，基于镁的生物可降解金属被认为在此类骨科应用中很有前途，因为可以对其进行更改，使其具有骨骼缺损再生所需的机械和生物学方面。与制造多孔镁支架的传统技术相比，增材制造的进步提供了更大程度的设计，制造灵活性和效率，因此可以生产具有精确控制的拓扑参数的完全互连的多孔结构。

特别是，SC-3DP方法具有巨大的潜力，可以克服目前用于制造多孔镁支架的其他AM技术的材料，技术和结构限制。根据研究结果，SC-3DP具有多种优势，例如在环境条件下进行3D打印，易于调整墨水成分，设备投资低以及具有制造具有分层孔和所需合金成分的复杂结构的潜力。SC-3DP方法也已证明在钢，铁，钛基和镍基微桁架的增材制造中是可行的。

所制成样品的宏观照片：（a）3D打印样品，（b）在650°C下烧结5分钟的样品，以及（c）从µCT图像重建的烧结样品。镁支架的溶剂浇铸3D打印/ Acta Biomaterialia。

该领域的未来研究

本质上，从这项研究中获得的结果提供了一种制造适合骨科应用的可生物降解的镁支架的新方法。 Zadpoor表示，尽管如此，在这一领域仍需进一步研究。他总结说：“我们将继续进行进一步研究，以研究添加剂制造的人造镁支架的性能。下一步，需要根据生物力学稳定性，生物降解能力和成骨能力评估镁支架的体外和体内性能。”

《3D打印多孔镁脚手架显示出作为骨替代材料的潜力》来源：中国3D打印网