3D打印多孔钛支架!新思路解决骨科难题

钛因其优异的生物相容性和承载性广泛用于骨科和牙科植入。但由于其生物活性较低和相较于皮质骨（约20 GPa）和松质骨（小于4 GPa）的弹性模量较高的特点（100-110 GPa），导致应力遮蔽和无菌性松动等问题。多孔钛通过降低植入物刚度并促进骨与植入物的生长来解决这些问题。弹性模量是材料固有的现象，与孔隙率无关，而刚度则结合几何设计，在宏观水平上抵抗变形的能力。使用金属粉末和添加空隙保持剂粉末（如糖、镁或盐类）来设计高孔隙率的PM，通过部分烧结技术，能够在3D打印支撑结构中引入微孔网络，形成多层次孔隙。宏观通道（>300 μm）促进细胞的渗透、迁移和血管化，而微孔（~100 μm）则增强骨小梁和骨元的固定，从而增加植入物的稳定性。孔之间的连接（称为孔窗）对骨细胞的渗透深度和最终锚定位置起关键作用。多孔钛解决长期存在的无菌松动和应力遮蔽等骨科难题。

近日，来自美国西北大学的David C. Dunand教授团队进行了3D打印多孔钛支架结合具有生物活性的超分子聚合物用于骨科植入的相关研究。成果以“3D-Ink-Extruded Titanium Scaffolds with Porous Struts and Bioactive Supramolecular Polymers for Orthopedic Implants”为题于09月12日发表在《Acta Biomaterialia》上。   

本文要点：

（1）本研究通过使用直接油墨（DIW）技术制造含有钛和NaCl颗粒的墨水，并烧结形成具有分层多孔结构、低刚度和高延展性的钛支架，进一步拓展多孔钛的发展。支架的宏观通道内填充低剂量的重组骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）和由肽两亲性纳米纤维和胶原蛋白组成的生物活性超分子聚合物（SPS）。（2）本文载有BMP-2的支架在大鼠后外侧腰椎融合模型中植于L4和L5横突之间。通过μCT评估支架内骨生长，研究支架微孔性和添加的生物信号剂对骨形成反应的影响。光学显微镜和扫描电子显微镜明确支架内约100微米的空间支撑微孔尺寸、高曲率形态以及孔窗结构。单轴压缩测试显示微孔支架具有低刚度和高延展性。   

（3）结果表明，使用SPS显著促进骨形成，在包含微孔的支架中未发现显著差异。本研究评估了SPS结合钛支架在骨形成、骨生长和骨锚定到微孔钛中的效果。为无菌松动和应力遮蔽等骨科难题提供解决思路。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.09.004   

来源： EFL生物3D打印与生物制造