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近期，清華大學(xué)溫鵬，北醫(yī)三院田耘，北京大學(xué)鄭玉峰在科愛(ài)出版創(chuàng)辦的期刊Bioactive Materials上聯(lián)合發(fā)表研究論文：激光增材制造WE43可降解鎂合金骨植入物工藝優(yōu)化及體內(nèi)外生物降解行為。利用優(yōu)化能量和掃描策略，制備出致密度超過(guò)99.5%，尺寸誤差小于10%的高質(zhì)量多孔支架，對(duì)微觀組織，力學(xué)性能，生物相容性、降解行為和成骨能力進(jìn)行體內(nèi)外表征。多孔鎂支架植入兔股骨1個(gè)月發(fā)生坍塌，3個(gè)月全降解周期內(nèi)表現(xiàn)出良好生物相容性和優(yōu)異促成骨效果，預(yù)示只要控制好早期降解，增材制造WE43鎂合金骨植入物臨床應(yīng)用值得期待。

01 研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介

全球每年約有300萬(wàn)例骨缺損修復(fù)手術(shù)，全球骨植入物市場(chǎng)到2025年將增長(zhǎng)至666億美元。增材制造技術(shù)為精準(zhǔn)修復(fù)骨缺損帶來(lái)技術(shù)革命，將生物可降解金屬與增材制造相結(jié)合，制備“生物活性可降解”及“定制化結(jié)構(gòu)”的個(gè)性化骨植入物成為骨缺損治療的發(fā)展前沿。然而，鎂合金活性高，蒸發(fā)傾向大，已有研究制備的鎂合金支架存在較多的成形缺陷，影響了生物學(xué)評(píng)價(jià)的客觀穩(wěn)定性，同時(shí)缺乏綜合的體內(nèi)外評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖1為本文的研究概要圖，利用激光粉末床熔融增材制造工藝 (LPBF)制備了具有定制化宏微觀結(jié)構(gòu)的WE43生物可降解鎂合金多孔支架，針對(duì)增材制造工藝對(duì)成形質(zhì)量的影響，多孔支架的微觀組織以及細(xì)胞相容性，體內(nèi)外降解行為和體內(nèi)促成骨能力進(jìn)行研究，旨在為激光增材制造生物可降解鎂合金的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，解決骨缺損精準(zhǔn)治療面臨的臨床難題。

圖1：本文的研究概要

一、WE43鎂合金多孔支架的LPBF制備及顯微組織分析

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，使用LPBF工藝制備WE43鎂合金，當(dāng)激光能量輸入較高時(shí)，支架存在嚴(yán)重的尺寸成形誤差，降低激光能量可以有效控制尺寸誤差，但造成未熔合缺陷，如何兼顧成形精度和熔合質(zhì)量成為鎂合金激光增材制造的難題。研究團(tuán)隊(duì)提出了定制化能量配合尺寸縮進(jìn)掃描策略的優(yōu)化工藝。首先確定獲得良好熔合質(zhì)量的激光能量輸入，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)該能量輸入導(dǎo)致的體積膨脹量，適當(dāng)減少填充掃描區(qū)域（即尺寸縮進(jìn)），最后使用輪廓掃描提高尺寸精度。使用優(yōu)化工藝前后的支架表面形貌、橫截面、尺寸誤差和相對(duì)致密度結(jié)果如圖2所示。采用優(yōu)化工藝后，多孔支架的內(nèi)部致密，沒(méi)有氣孔和未熔合缺陷，不同桿徑截面致密度均超過(guò)99.5%， 設(shè)計(jì)孔隙率和實(shí)際孔隙率的誤差低于10%，成功實(shí)現(xiàn)了WE43鎂合金多孔支架的高質(zhì)量激光增材制造。

圖2：不同桿徑多孔支架的外觀和橫截面照片以及支架橫截面致密度和孔隙率誤差：(a–d) 300 μm, (e–h) 400 μm, (i–l) 500 μm

對(duì)增材制造WE43多孔支架的微觀組織進(jìn)行表征，結(jié)果如圖3所示。WE43支架內(nèi)部存在大量彌散分布的二次相，大塊二次相(圖3-b)主要為Y2O3和少量夾雜Zr的(Y,Zr)2O3，晶界處析出相為Mg14(Nd,Gd)2Y(圖3-c)，晶內(nèi)析出相為Mg41RE5(圖3-d)。氧化物由WE43鎂合金粉體表面的氧化膜造成，大量的Mg-RE析出相則與增材制造逐層堆積反復(fù)加熱的物理過(guò)程相關(guān)。

圖3：WE43鎂合金多孔支架的微觀組織: (a) SEM 形貌; (b-d) TEM 形貌; (e-g) 面元素分布

二、體內(nèi)外生物降解行為及促成骨能力

使用Hanks模擬體液對(duì)WE43多孔支架進(jìn)行體外浸泡，結(jié)果如圖4所示。WE43多孔鎂支架浸泡10 h后結(jié)構(gòu)即發(fā)生明顯破壞；浸泡8 h后降解速度明顯加快，最大析氫速率達(dá)到4.26 ml/cm2⋅h；浸泡16 h 后，支架結(jié)構(gòu)完全溶解消失，pH值穩(wěn)定后維持在10以上。根據(jù)XRD分析，降解產(chǎn)物主要是Mg(OH)2。增材制造WE43多孔鎂支架體外降解速度過(guò)快的原因主要是大量析出的Mg14(Nd,Gd)2Y和Mg41RE5相與鎂基體形成原電池，造成的電偶腐蝕，同時(shí)多孔支架較大的比表面積也加快了降解。

圖片

圖4: WE43多孔支架Hanks模擬體液體外浸泡結(jié)果：(a) 宏觀形貌; (b) 析氫率; (c) 失重率; (d) pH; (e) 降解產(chǎn)物XRD 分析

將WE43多孔鎂支架植入到大兔股骨內(nèi)，并設(shè)置骨水泥組和空白對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比。對(duì)WE43支架植入12周后血常規(guī)和重要臟器切片進(jìn)行觀察，均表現(xiàn)正常，無(wú)不良反應(yīng)。植入4，8，12周后的Micro-CT照片如圖5所示。植入4周后，支架發(fā)生明顯降解，失去結(jié)構(gòu)完整性，說(shuō)明降解速率過(guò)快，無(wú)法實(shí)現(xiàn)早期力學(xué)支撐；在骨髓腔內(nèi)觀察到大量降解產(chǎn)物氫氣泡，可能會(huì)造成局部炎癥。相比骨水泥組和空白對(duì)照組，鎂支架組的骨缺損處出現(xiàn)明顯的新骨生成，表明鎂支架降解帶來(lái)促成骨效果。從圖6所示的支架組骨缺損處橫截面的硬組織切片中可以更直觀地觀察到成骨情況。植入8周后，鎂支架結(jié)構(gòu)已降解至無(wú)法辨識(shí)，新生骨長(zhǎng)入到空腔內(nèi)部；支架植入12周后，鎂支架完全降解，在骨缺損處出現(xiàn)了大量新生骨，此時(shí)已無(wú)法觀察到氫氣，說(shuō)明氫氣可自行擴(kuò)散。盡管現(xiàn)有結(jié)果表明增材制造WE43鎂支架的降解速率相比骨重建周期過(guò)快，但在全降解周期內(nèi)表現(xiàn)出良好的生物相容性和優(yōu)異的促成骨效果。通過(guò)表面處理等手段，只要控制好早期降解，增材制造WE43鎂合金骨植入物的臨床應(yīng)用值得期待。

圖5：WE43支架組、骨水泥組和對(duì)照組植入后不同時(shí)間點(diǎn)的Micro-CT掃描結(jié)果，黃圈為股骨髁預(yù)設(shè)缺損區(qū)域

圖6：支架組骨缺損處在4, 8, 12周時(shí)亞甲基藍(lán)/酸性品紅溶液染色結(jié)果