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理想的骨修復(fù)材料除具備良好的生物學(xué)活性與力學(xué)性能外，還應(yīng)具備內(nèi)部連通的多孔結(jié)構(gòu)與個性化的幾何外觀。本研究采用選擇性激光熔化技術(shù)制備了力學(xué)性能適配的3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr骨修復(fù)支架，并通過體內(nèi)外實驗研究其生物安全性與抗菌性能。

01、研究內(nèi)容簡介

金屬植入物被廣泛應(yīng)用于骨科領(lǐng)域。植入物感染是骨科手術(shù)后最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一。傳統(tǒng)上，植入物感染的治療方案包括手術(shù)清創(chuàng)、全身抗生素治療和局部抗生素治療等，將不可避免地導(dǎo)致二次手術(shù)及各類并發(fā)癥，也造成了嚴(yán)重的社會經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。因此，亟需研發(fā)一種具備抗感染性能的骨植入物材料用于預(yù)防和治療此類感染。

鑒于其良好的生物相容性、骨誘導(dǎo)性和力學(xué)性能，可降解鎂合金被視為新一代骨修復(fù)材料。既往研究表明，鎂合金降解產(chǎn)生的堿性微環(huán)境具備廣譜殺菌性能，可有效抑制革蘭氏陽性及革蘭氏陰性細(xì)菌的生長。因此，鎂合金作為一種兼具抗菌和成骨性能的可生物降解材料，具有良好的臨床轉(zhuǎn)化前景。

理想的骨修復(fù)材料應(yīng)具備內(nèi)部連通的多孔結(jié)構(gòu)與個性化的幾何外觀。目前，多孔鎂合金植入物的主要制備方法包括熔模鑄造法、粉末冶金法、溶體發(fā)泡法等方法，能夠制備具有完全內(nèi)部連通多孔結(jié)構(gòu)的鎂合金骨修復(fù)支架，但無法實現(xiàn)多孔鎂合金內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制。近年來，金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展，為制備孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào)、內(nèi)連通性可控的鎂合金骨修復(fù)支架提供了新思路。然而，鎂金屬化學(xué)性質(zhì)活潑，極易燃，采用激光或電子束制備3D打印鎂合金存在諸多挑戰(zhàn)，其體內(nèi)生物學(xué)作用與功能亦未見報道。因此，我們團隊通過醫(yī)工交叉合作，采用選擇性激光熔化技術(shù)，制備3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr骨修復(fù)支架，并通過體內(nèi)外實驗系統(tǒng)評估其抗菌性能與生物安全性，為3D打印鎂合金植入物的研發(fā)與臨床轉(zhuǎn)化提供依據(jù)。

設(shè)計具有鉆石型結(jié)構(gòu)單元的多孔骨修復(fù)支架，支架設(shè)計孔徑為400μm。支架設(shè)計完成后，導(dǎo)出slt格式打印文件，用于后續(xù)打印。通過氣體霧化法成功制備了Mg-Nd-Zn-Zr鎂合金粉末，粉末球型度高，平均粒徑為63.9 ± 14.5μm，符合3D打印要求（Fig 1）。

Fig. 1. Design of the 3D-printed JDBM implant and characterization of Mg–Nd–Zn–Zr powder. a) Diamond unit cell. b) Top view of the computer-aided design model. c) Lateral view of the computer-aided design model. d) SEM image of the Mg–Nd–Zn–Zr powder. e) Particle size distribution of the Mg–Nd–Zn–Zr powder.

經(jīng)后處理后，3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架多孔結(jié)構(gòu)分布均勻，324.6±25.7μm，孔隙率為 52.1±1.6%。同時，通過體外浸泡實驗，初步評價3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架的降解性能（Fig 2）。

Fig. 2. Characterization and degradation behavior of the 3D-printed JDBM implant. a) Surface morphology of the 3D-printed JDBM implants. b) Optical microscope images of 3D-printed JDBM implants. c) SEM images of as-fabricated and solid-solution-treated 3D-printed JDBM implant observed from side surfaces. d) Hydrogen release after immersing for 1–7 days. e) Mg2+ concentrations after immersing for 1–7 days.

體外實驗結(jié)果表明，3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架具備良好的生物安全性與促成骨活性（Fig 3）。

Fig. 3. Cytocompatibility and osteogenic differentiation in vitro. a) Cell viability, b) live/dead cells, and c) cell morphology of the MC3T3-E1 cells cultured with different extract concentrations. d) ALP staining after 7 d of culture. e) Alizarin red staining of cells cultured with different extract concentrations for 21 d.

3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架可顯著抑制MRSA 粘附及細(xì)菌生物膜形成（Fig 4）。

Fig. 4. Antibacterial activity of 3D-printed JDBM implants in vitro. a) Biofilm formation of MRSA cultured in different media after 1, 3, 6, 12, and 24 h of incubation. b) Absorption of crystal violet by MRSA biofilm after 24 h of incubation. c) Semi-quantitative analysis of bacterial concentration after 1, 3, 6, 12, and 24 h of in- cubation. d) Representative images of MRSA cultured in different media. e) Statistical analysis of colony number after 24 h of incubation. *p < 0.05.

動物實驗結(jié)果表明，3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架可有效預(yù)防植入物感染形成（Fig 5）。

Fig. 5. Histological evaluation of implant-related infection. a) Masson and Giemsa staining of peri-implant tissue at four weeks after implantation. b) HE staining and immunohistochemical detection of TNF-α secretion at the bone-implant interface at 5 and 10 days after implantation.

此外，3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架具備良好的生物安全性。3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架植入后，實驗動物心、肝、脾、肺、腎未見 明顯組織學(xué)異常改變（Fig 6），實驗動物主要臟器鎂離子含量未見異常升高（Table 1）。

Fig. 6. Evaluation of organizational microstructures of the heart, liver, spleen, lung, and kidney with HE staining.

Table 1 Results of blood tests of experimental animal at 4 weeks after implantation.

綜上所述，在這項研究中，我們通過選擇性激光熔化技術(shù)實現(xiàn)了3D打印多孔Mg-Nd-Zn-Zr支架的制備，通過體內(nèi)、 外實驗證實其具備良好的生物安全性與抗感染性能，為其臨床轉(zhuǎn)化提供依據(jù)。