摘要
含鎂生物材料具有良好的可降解性和生物相容性，作為骨科醫(yī)療器械在骨折及骨缺損修復(fù)方面具有很好的市場應(yīng)用前景，但傳統(tǒng)制造工藝不能滿足其對復(fù)雜外形醫(yī)療器械的加工制造要求。3D打印技術(shù)是一項(xiàng)新型數(shù)字化增材制造技術(shù)，通過“分層制造、逐層疊加”的方式可以把金屬、陶瓷、高分子聚合物等材料快速構(gòu)建成任意復(fù)雜物理結(jié)構(gòu)的3D模型。3D打印含鎂生物醫(yī)用材料結(jié)合了先進(jìn)的材料制造技術(shù)和鎂優(yōu)良的生物學(xué)性能，在骨科醫(yī)療器械領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿?。本文就各?D打印含鎂生物醫(yī)用材料體系及其生物學(xué)性能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
鎂（Mg，1.74 g/cm3）是一種與人體骨密度（1.75 g/cm3）基本相當(dāng)?shù)妮p質(zhì)金屬。由于其彈性模量和抗壓屈服強(qiáng)度比其他金屬植入材料更接近人體骨，鎂是與骨具有最好生物力學(xué)相容性的金屬材料。鎂作為人體必需的營養(yǎng)元素，在人體中主要分布于骨骼（53%）、肌肉（27%）、軟組織（19.2%）、紅細(xì)胞（0.5%）和血清（0.3%）中，其含量僅次于鈣，鉀，鈉，排第四位。在人體中，鎂降解釋放的鎂離子通過多個(gè)信號(hào)通路影響新陳代謝。
鎂影響的生理功能主要包括以下幾個(gè)方面：①作為酶的輔助因子影響能量相關(guān)代謝；②作為鈣的阻抗劑抑制細(xì)胞內(nèi)鈣的堆積；③調(diào)節(jié)骨代謝活動(dòng)，誘導(dǎo)新骨生成。
然而，純鎂或普通鎂合金作為骨科植入材料也存在很多問題：首先，降解速率過快無法維持到傷后充分愈合，其降解時(shí)間只能維持骨折愈合時(shí)間的 1/3~1/4；其次，需要處理由于腐蝕而產(chǎn)生氣體積聚的問題。進(jìn)入 21世紀(jì)后，隨著材料生產(chǎn)工藝的不斷提高，在生物安全性未受影響的前提下，將鎂進(jìn)行合金化和多樣化處理后，其機(jī)械性能、抗腐蝕性能、骨誘導(dǎo)性能等得到大幅提高。因而，含鎂植入性骨科醫(yī)療器械正越來越成為骨科領(lǐng)域研究熱點(diǎn)材料之一。含鎂生物材料主要包含鎂及鎂合金、生物陶瓷、生物玻璃和聚合物復(fù)合材料，并且在加速骨生成和骨缺損修復(fù)方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢（圖 1A）。如含鎂生物陶瓷、生物玻璃可以調(diào)節(jié)自身降解速度來匹配新骨生成速度，顯示出其作為可降解骨植入醫(yī)療器械的潛力。含鎂聚合物復(fù)合材料通過復(fù)合鎂和聚合物制備復(fù)合材料，不僅可以中和聚合物的酸性降解產(chǎn)物，還可以提高聚合物的成骨性能。然而，由于內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不可控、外形與宿主骨缺損不完全匹配，傳統(tǒng)加工工藝制備的 3D 多孔支架很難滿足臨床實(shí)際需求。3D打印技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)輔助，以支架的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型或CT掃描等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過“分層制造、逐層疊加”的方式快速構(gòu)造出任意復(fù)雜物理結(jié)構(gòu)的3D支架，打印過程見圖1B。利用3D打印技術(shù)可以構(gòu)建與缺損骨組織相匹配的復(fù)雜外形的3D多孔支架，還可以精確調(diào)控支架內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。配制 3D打印墨水時(shí)還可以調(diào)整材料組分控制支架降解速率與骨再生速率相匹配，或加入生物活性成分促進(jìn)細(xì)胞的成骨分化，從而獲得理想的骨修復(fù)效果（圖1C）。本文就不同3D打印含鎂生物醫(yī)用材料體系及其生物學(xué)性能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
3D打印含鎂生物醫(yī)用材料體系
1.1 、3D打印鎂基金屬材料體系
金屬鎂具有與天然骨相似的機(jī)械性能，其植入體內(nèi)可以釋放鎂離子，促進(jìn)成骨反應(yīng)，同時(shí)也可以完全降解成無毒物質(zhì)排出體外，并已被證明是一種有潛力的骨替代材料。當(dāng)前鎂金屬的研究側(cè)重于制備鎂合金材料或構(gòu)建其他保護(hù)涂層以增強(qiáng)鎂金屬的抗腐蝕性能。鎂合金主要通過添加不同含量的鈣、鋁、鍶、鋅等元素進(jìn)行冶煉而得到，可以通過調(diào)節(jié)鎂合金的相分布、晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)，在短期內(nèi)保持良好的力學(xué)性能，而且在一定程度上可以控制生物降解，提高了鎂合金的抗腐蝕、力學(xué)性能和生物相容性。目前主要的商業(yè)鎂合金可分為 WE 系列（Mg-RE-Zr）、ZK 系列（Mg-Zn-Zr）、EZ 系列（Mg-RE-Zn）、AM系列（Mg-Al-Mn）、AE 系列（Mg-Al-RE）和 AZ 系列（Mg-Al-Zn）。Wang 等研究發(fā)現(xiàn) Mg-Zn-Sr 骨釘表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，最大扭矩明顯優(yōu)于高純鎂，這種材料可以提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度，在整個(gè)愈合過程中起到固定作用，并有效減輕周圍的骨丟失，結(jié)果顯示這種鎂合金骨釘在兔膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶重建術(shù)后16周內(nèi)顯著增加了骨髓腔周圍骨量。
激光金屬熔融 3D 打印技術(shù)可以用來制備 3D 鎂及鎂合金支架材料，然而由于制備過程中需要特定的高溫條件，因而很難同步細(xì)胞混合打印和涂層生物活性因子。Yu 等采用激光打印技術(shù)制備多孔鎂合金支架，并構(gòu)建氟化鎂涂層以提高支架的抗腐蝕性能，通過與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow stromalcells, BMSCs）共培養(yǎng)以探討支架的細(xì)胞相容性，結(jié)果表明氟化鎂涂層多孔鎂合金支架具有良好的生物相容性，并能促進(jìn)BMSCs的增殖活性。最近也有研究人員利用擠出式 3D 打印技術(shù)制備 3D 支架模具，通過鎂及鎂合金金屬熔融填充支架空隙，最后移除模具材料得到3D多孔鎂及其合金金屬支架。Kleger等首先配制了鹽、表面活性劑和石蠟的打印墨水，利用擠出式3D 技術(shù)制備了 3D 支架模具，之后燒結(jié)制備鹽模具支架通過鎂金屬高溫熔融填充支架孔隙，最后利用鹽浸出的方法制備了孔隙可調(diào)的3D多孔鎂金屬支架。
1.2 、3D打印含鎂復(fù)合材料體系
3D 打印含鎂復(fù)合材料體系通常將含鎂材料與高分子聚合物材料進(jìn)行復(fù)合。含鎂材料通過釋放鎂離子一方面降低了炎癥細(xì)胞因子（白細(xì)胞介素-6、白細(xì)胞介素-1β、白細(xì)胞介素-10）表達(dá)，減低巨噬細(xì)胞活性，抑制了免疫反應(yīng)；另一方面鎂離子可以促進(jìn)骨膜干細(xì)胞、BMSCs和成骨細(xì)胞進(jìn)行成骨分化達(dá)到新骨生成的作用（圖2）。由天然或合成聚合物組成的生物聚合物已被廣泛開發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。在 3D打印含鎂復(fù)合材料體系中加入高分子聚合物材料，如聚乳酸（poly lactic acid, PLA）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA]，通常作為含鎂材料的粘結(jié)劑和基體材料。通過 3D打印的方法將含鎂粉末材料制備成 3D 支架形狀，有利于作為醫(yī)療器械材料進(jìn)行骨缺損修復(fù)。同時(shí)，復(fù)合高分子材料可以提高含鎂材料的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性能，也可以控制降解速率達(dá)到對鎂離子的可控釋放。大量研究表明，聚合物的酸性降解產(chǎn)物可能造成局部炎癥和感染，最終可能導(dǎo)致植入失敗，而且大多數(shù)高分子聚合物具有機(jī)械性能不強(qiáng)、親水性較弱、生物相容性不高等特點(diǎn)，限制了其在骨修復(fù)中的應(yīng)用。通過與含鎂材料的復(fù)合，降解產(chǎn)生的氫氧根離子會(huì)導(dǎo)致微環(huán)境中的 pH值升高，因而聚合物的酸性降解可以被含鎂材料的堿性降解產(chǎn)物中和，減低了局部炎癥和感染的風(fēng)險(xiǎn)。
3D 打印含鎂復(fù)合材料體系中含鎂材料主要包括鎂金屬顆粒、鎂二元化合物、含鎂生物活性陶瓷和生物活性玻璃。鎂二元化合物主要包含氧化鎂、過氧化鎂、硼化鎂、硅化鎂等化合物，此類含鎂復(fù)合材料體系因其具備多功能性成為3D骨修復(fù)復(fù)合材料體系的研究熱點(diǎn)。Lai等通過將PLGA與鎂粉、磷酸鈣混合，通過3D打印方式制備出具有合適機(jī)械性能的可降解骨修復(fù)支架（PTM支架），并在兔骨壞死模型中評(píng)估了PTM支架的成骨和血管生成特性和植入后的生物安全性。結(jié)果表明，添加鎂可以緩沖PLGA降解導(dǎo)致的酸性pH，PTM支架同時(shí)具有成骨和血管生成能力，在促進(jìn)新骨生成和增強(qiáng)骨壞死新生骨的質(zhì)量方面具有協(xié)同作用。因此，PTM支架是一種很有前途的骨修復(fù)材料，可用于難治愈性骨缺損修復(fù)，目前該產(chǎn)品已經(jīng)獲批發(fā)明專利作為骨科醫(yī)療器械進(jìn)入臨床轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)研究。
自首次報(bào)道磷酸鎂基生物陶瓷（magnesium phos?phate cement, MPC）的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用以來，含鎂生物陶瓷自 20世紀(jì) 90年代以來一直是熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。含鎂生物陶瓷主要包含磷酸鎂、磷酸鈣鎂和硅酸鎂化合物。與傳統(tǒng)的磷酸鈣生物陶瓷相比，MPC 具有更短的自凝時(shí)間和更高的初始抗壓強(qiáng)度，在初始階段提供了關(guān)鍵的機(jī)械支撐。此外，體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明MPC具有良好的生物相容性和更快降解性，同時(shí)用鎂摻雜磷酸鈣可顯著增強(qiáng)成骨細(xì)胞的附著和生長。Golafshan 等制備了磷酸鍶鎂生物活性陶瓷（Mg-P-Sr），通過擠出式3D打印方法制備3D Mg-P-Sr/PCL多孔復(fù)合支架，研究表明該支架釋放鎂和鍶離子協(xié)同促進(jìn) BMSCs 成骨分化為成熟的成骨細(xì)胞和誘導(dǎo)羥基磷灰石的沉積，并在馬臀部骨缺損模型中發(fā)現(xiàn)復(fù)合支架可以促進(jìn)新骨的生成，同時(shí)不會(huì)引起炎癥反應(yīng)。
1.3、孔隙率和機(jī)械性能
松質(zhì)骨具有互相連通的多孔性結(jié)構(gòu)，其孔隙率為30%~95%。眾所周知，支架多孔化設(shè)計(jì)可以增加與骨結(jié)構(gòu)的相似性，有利于新組織的長入，但同時(shí)減低了支架機(jī)械強(qiáng)度。3D含鎂生物醫(yī)用材料作為骨科醫(yī)療器械不僅需要足夠的機(jī)械強(qiáng)度來承受生理重量，同時(shí)其機(jī)械強(qiáng)度需要與相鄰骨組織匹配，避免應(yīng)力屏蔽導(dǎo)致骨吸收和種植體松動(dòng)。改變支架孔大小、形狀、分布和孔隙率可以影響支架機(jī)械性能，如增加孔隙率會(huì)降低抗壓模量、屈服強(qiáng)度和楊氏模量。Wen等制備了3D鎂支架材料驗(yàn)證其機(jī)械性能與孔徑和孔隙率的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙率為 35%、孔徑為250μm時(shí)，其峰值楊氏模量和應(yīng)力分別為1.8GPa和17 MPa；而當(dāng)孔徑為73μm、孔隙率為45%時(shí)，其峰值楊氏模量和應(yīng)力變?yōu)?.3GPa和16 MPa?？紤]到松質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度和楊氏模量在0.2~80 MPa和0.01~2 GPa，3D鎂多孔支架正好符合松質(zhì)骨的機(jī)械要求（表1），使得鎂適合作為骨科醫(yī)療器械材料。
1.4、生物腐蝕性能
將純鎂暴露在空氣中會(huì)氧化形成一層灰色的氫氧化鎂薄膜。研究表明，在生理環(huán)境中通過氧化還原反應(yīng)，鎂會(huì)發(fā)生降解形成氫氧化鎂和釋放氫氣，具體反應(yīng)過程如下所示：
氧化反應(yīng)：Mg→Mg2++2e-
還原反應(yīng)：2H2O+2e-→H2↑+2OH-
氧化還原反應(yīng)：Mg2++2OH-→Mg(OH)2
氫氧化鎂很難溶于水，氫氧化鎂與體液或模擬體液的氯離子之間發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水溶性的氯化鎂。與生物高分子聚合物（如 PLA）相比，由于生物腐蝕作用鎂植入材料釋放的鎂離子提高了種植體周圍的 pH值和有利于生物礦化的沉積，表明鎂骨科醫(yī)療器械具有一定的骨傳導(dǎo)和生物活性。通過制備含鎂生物陶瓷和鎂聚合物復(fù)合支架，一方面發(fā)生生物礦化形成磷酸鈣或磷酸鈣鎂，促進(jìn)成骨細(xì)胞生長，提供骨傳導(dǎo)能力；另外一方面由于生物陶瓷和聚合物的加入降低了鎂的腐蝕速率。
1.5、生物相容性
鎂為人體必需的營養(yǎng)元素，同時(shí)也存在于人體骨組織中。鎂雖然具有良好生物相容性，但是含鎂植入物釋放的鎂離子可能會(huì)影響周圍的細(xì)胞和組織，如釋放過量鎂離子甚至?xí)?dǎo)致全身中毒。與此同時(shí)，鎂合金里含有的其他元素（如鍶和鋁元素）很難排出體外，將會(huì)在體內(nèi)沉積會(huì)導(dǎo)致潛在的健康威脅，特別是鋁元素需要進(jìn)一步驗(yàn)證其在體內(nèi)的生物安全性，因?yàn)殇X離子有致阿爾茨海默病的潛在風(fēng)險(xiǎn)。評(píng)價(jià)含鎂生物醫(yī)用材料的生物相容性有必要研究其細(xì)胞相容性、組織相容性和血液相容性。細(xì)胞毒性測試可以給鎂離子提供最簡單的生物相容性指標(biāo)。與國際標(biāo)準(zhǔn)組織（international organization forstandardization，ISO）制訂的細(xì)胞毒性標(biāo)準(zhǔn)測試的體外環(huán)境相比，含鎂醫(yī)療器械釋放的鎂離子會(huì)被周圍體液稀釋并迅速擴(kuò)散到循環(huán)系統(tǒng)中，因此在體外細(xì)胞毒性測試中建議稀釋含鎂植入物的浸體液來模擬體內(nèi)降解產(chǎn)物濃度。有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)鎂離子濃度在10 mM 時(shí)對細(xì)胞無任何損傷，濃度達(dá)到 15 mM時(shí)也考慮是無毒性的（>75% 的細(xì)胞活性）。大多數(shù)含鎂生物材料與各種細(xì)胞系具有良好的細(xì)胞相容性，包括BMSCs、骨源性細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、骨肉瘤細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和成骨細(xì)胞。同時(shí)在各種骨植入模型（豚鼠、大鼠和兔股骨、脛骨和尺骨）中表現(xiàn)出良好的細(xì)胞、組織相容性和正常異物反應(yīng)，同時(shí)鎂離子可以刺激血管內(nèi)皮生長因子、血管生成素和其他重要因子的分泌來促進(jìn)血管生成。
1.6、成骨活性和骨整合性
成人體內(nèi)平均含有1000 mmol 或約24 g鎂，其中一半以上的鎂離子儲(chǔ)存在骨組織中，鎂的推薦膳食攝入量為成年女性320 mg/d，成年男性 420 mg/d。人體缺乏鎂元素可能會(huì)導(dǎo)致很多健康問題，同時(shí)鎂含量不足與低骨量、骨生長減少、骨質(zhì)疏松癥和骨骼脆性增加有關(guān)。Wu等研究了不同鎂離子濃度對成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的影響，體外研究結(jié)果表明一倍和兩倍稀釋的鎂合金浸體液可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖分化和抑制破骨細(xì)胞分化。在另一項(xiàng)鎂離子補(bǔ)充培養(yǎng)基中培養(yǎng)人骨髓間充質(zhì)細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)中表明，當(dāng)MgSO4溶液在10 mmol 時(shí)，細(xì)胞外基質(zhì)的礦化明顯增加，X型膠原蛋白和血管內(nèi)皮生長因子表達(dá)顯著增加（圖2）。在體內(nèi)成骨實(shí)驗(yàn)中（表1），將多孔鎂合金AZ91D支架植入兔子體內(nèi)骨缺損模型中，3個(gè)月后支架大部分完全降解，同時(shí)未出現(xiàn)骨溶解現(xiàn)象，在支架降解周圍檢測到纖維囊形成，伴隨著新血管生成，以及降解部位被新骨生成代替并向內(nèi)生長。通過組織染色發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了種植體附近的新骨生成和骨吸收，有利于增加骨含量和形成成熟骨組織，表現(xiàn)出更優(yōu)異的機(jī)械性能和骨整合能力。Lai等將3D打印制備的 PLGA/TCP/Mg多孔支架植入兔股骨頭壞死骨缺損中，與對照組PLGA/TCP 支架相比，8周后PLGA/TCP/Mg多孔支架組具有更好的促進(jìn)成骨能力。多孔鎂支架表現(xiàn)出良好的生物相容性、抑制炎癥反應(yīng)，以及優(yōu)異的成骨活性和骨整合性，這使多孔3D含鎂生物醫(yī)用材料成為骨組織工程中理想的生物材料。
3D打印含鎂生物醫(yī)用材料的臨床應(yīng)用進(jìn)展
部分含鎂骨科植入式醫(yī)療器械已經(jīng)在德國和韓國獲得轉(zhuǎn)化和臨床應(yīng)用。目前只有鎂合金螺釘在臨床上得到了應(yīng)用，3D打印含鎂生物醫(yī)用材料大部分還處于實(shí)驗(yàn)室研究或臨床研究階段。2013年，Magmaris加壓鎂合金螺釘（Syntellix 公司，德國，Mg-Y-RE-Zr合金）成為第一個(gè)獲得歐盟CE認(rèn)證的鎂合金骨內(nèi)植入物。2015年，KMET螺釘（U&I公司，韓國，Mg-Ca合金）也獲得了韓國食品藥物監(jiān)督管理局的批準(zhǔn)應(yīng)用于手部骨折內(nèi)固定手術(shù)中。在國內(nèi)，含鎂植入器械的審批與注冊相關(guān)政策已經(jīng)發(fā)布，但是可降解含鎂器械的耐腐蝕性能、降解速率可控性和體內(nèi)鎂降解風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)都是引起關(guān)注的問題，尚無含鎂植入骨科醫(yī)療器械獲得國家藥品監(jiān)督管理局的批準(zhǔn)，其中走在前列的有東莞宜安科技公司的鎂合金金屬螺釘、上海交通大學(xué)與滬創(chuàng)醫(yī)療科技(上海)有限公司合作的 JDBM 鎂合金骨板和螺釘，以及由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院和中科精誠醫(yī)學(xué)科技有限公司聯(lián)合孵化的3D打印產(chǎn)品含鎂高分子可降解骨修復(fù)材料，該產(chǎn)品榮獲國家藥品監(jiān)督管理局的創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批認(rèn)定，并已完成臨床前注冊檢驗(yàn)，正處于多中心臨床試驗(yàn)階段。
小結(jié)
鎂具有良好的可降解性和生物相容性，含鎂生物材料（包括鎂及其合金、生物陶瓷和聚合物復(fù)合材料）已經(jīng)廣泛研究其作為骨科醫(yī)療器械的潛力。每一類含鎂材料都有其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，同時(shí)展現(xiàn)出相似的生物學(xué)和骨缺損修復(fù)與再生的能力。大量基礎(chǔ)研究已驗(yàn)證了鎂離子在體外促進(jìn)細(xì)胞增殖分化、體內(nèi)促進(jìn)骨再生的重要作用。盡管大部分含鎂生物材料的抗腐蝕性能和機(jī)械性能都還有待提高，并且限定在非承重骨中的運(yùn)用，但新型制備方法和醫(yī)療器械制備技術(shù)為克服上述缺點(diǎn)提供了新的解決途徑。3D打印含鎂生物復(fù)合支架不僅提高了其抗腐蝕性能，還極大提高了其機(jī)械性能，拓展了含鎂生物材料在骨科醫(yī)療器械方面的臨床運(yùn)用。大量研究也在拓展鎂的多功能性，如鎂離子的抗菌性能和鎂納米顆粒的光熱效應(yīng)。含鎂復(fù)合材料作為骨替代品，不僅可以促進(jìn)骨再生，還可以預(yù)防骨植入物感染，因?yàn)榻到猱a(chǎn)生的鎂離子具有殺菌作用。與純聚合物相比，負(fù)載有鎂微粒的 PLA復(fù)合材料具有更好的抗菌活性，改善炎癥反應(yīng)。鎂顆粒還有優(yōu)異的光熱效應(yīng)，通過光熱作用可以拓展其潛在的骨腫瘤治療功能。3D打印制備含鎂生物醫(yī)用材料因其具有可控的降解速率、材料的安全性、合適的機(jī)械性能和多功能特性，相信在骨科醫(yī)療器械領(lǐng)域能得到更加廣泛的應(yīng)用。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
