近期，清華大學(xué)溫鵬，北京大學(xué)鄭玉峰，北醫(yī)三院田耘在科愛創(chuàng)辦的期刊Bioactive Materials上聯(lián)合發(fā)表研究論文：高溫氧化處理3D 打印鎂合金骨內(nèi)植入體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及體內(nèi)外生物降解行為。利用高溫氧化處理工藝，形成的表面氧化層和遷移層減緩了3D 打印鎂合金的降解速率。研究團(tuán)隊(duì)制備出孔徑分別為 500、800 和 1400 微米（P500，P800 和 P1400）的鎂支架多孔支架，對(duì)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，其中P500結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)良好。由此啟發(fā)我們通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來調(diào)控其力學(xué)性能及降解速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)骨缺損重建。
1、研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介
圍關(guān)節(jié)區(qū)骨缺損是常見而復(fù)雜的臨床疾患，需要植骨材料在應(yīng)力下完成對(duì)關(guān)節(jié)面均衡持久的整體支撐，并于降解過程形成有利于成骨環(huán)境，實(shí)現(xiàn)缺損區(qū)修復(fù)與關(guān)節(jié)面的穩(wěn)定，這對(duì)植骨材料及結(jié)構(gòu)的研發(fā)提出了挑戰(zhàn)。增材制造技術(shù)為精準(zhǔn)修復(fù)骨缺損帶來技術(shù)革命，將生物可降解鎂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。增材制造在實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也增大了比表面積，在與體液接觸過程中降解加速。因此，如何在實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的同時(shí)控制鎂合金修復(fù)體的吸收速率，是研究者廣為關(guān)注的問題。
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)和高溫氧化處理工藝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)三種不同孔徑的鎂支架多孔支架的體內(nèi)外力學(xué)性能，生物相容性、降解行為和成骨能力進(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鎂合金多孔支架的顯微組織分析及力學(xué)性能
研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)WE43鎂合金多孔支架在生物體內(nèi)降解過快的難題 ， 開 發(fā) 了 抑 制 其 降 解 的 高 溫 氧 化 處 理 工 藝，形成的表面氧化層 (圖2b)。根據(jù) EDS 分析(圖2c) ，高 溫 氧 化 處 理 后，在支架表面形成含Y，Nd，Gd，Zr 和 O等元素的氧化物層，它能將鎂合金基體與體液隔絕開，因此減緩了鎂合金支架的降解速率。
研究團(tuán)隊(duì)制備了孔徑分別為 500、800 和 1400 微米（P500，P800 和 P1400）的鎂合金支架。不同孔徑的鎂合金支架表面形貌類似，均無明顯缺陷(圖3b-d)。然而，不同孔徑的鎂合金支架的體外力學(xué)行為存在明顯差異，其中P500結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)良好。(圖3e-g)
圖2：鎂合金支架高溫氧化處理前后橫截面上的 SEM 形貌（a-b）和 EDS 分析（c）
圖3：不同孔徑的鎂合金支架SEM 形貌（b-d）和 體外力學(xué)測(cè)試（c）
二、體外生物相容性及促成骨能力
為了測(cè)試鎂合金支架的生物相容性，將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞直接接種在 P500，P800和 P1400組的鎂合金支架上，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞能夠很好地黏附于 P500、 P800和 P1400組的支架表面(圖4a)。研究團(tuán)隊(duì)使用間接接觸法測(cè)試鎂合金支架體外生物相容性?；?死染色細(xì)胞、細(xì)胞凋亡測(cè)試和CCK-8細(xì)胞毒性試驗(yàn)均顯示所有組別細(xì)胞相容性良好，各組別之間沒有統(tǒng)計(jì)顯著性差異(圖4b-d)。
之后為了測(cè)試鎂合金支架的體外成骨性能，在浸提液中加入地塞米松，L-抗壞血酸，β-甘油磷酸鈉進(jìn)行成骨誘導(dǎo)。如圖5a-d所示，鎂合金支架組的堿性磷酸酶活性和細(xì)胞外基質(zhì)的礦化水平均較對(duì)照組高，其中P500組骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨性能最為顯著。之后使用蛋白質(zhì)免疫印跡實(shí)驗(yàn)對(duì)成骨相關(guān)分子蛋白表達(dá)量進(jìn)行定量，P500組的成骨相關(guān)分子蛋白表達(dá)量均較其他組高（圖5e-h）。
圖4：不同孔徑的鎂合金支架組的體外細(xì)胞黏附性（a）和生物相容性測(cè)試（b-f）
圖5：不同孔徑的鎂合金支架組體外促成骨能力測(cè)試：（a）堿性磷酸酶染色和(b) 堿性磷酸酶活性測(cè)試，(c-d)茜素紅染色及其半定量分析，(e-h) 成骨相關(guān)分子蛋白半定量分析結(jié)果
三、體內(nèi)生物降解行為及促成骨能力
為了研究不同孔徑的鎂合金支架體內(nèi)生物降解行為及促成骨能力，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了兔股骨髁缺損模型，硫酸鈣骨水泥作為對(duì)照。WE43多孔支架結(jié)構(gòu)在手術(shù)后4周仍然清晰可見，表明支架沒有明顯降解，具有良好的結(jié)構(gòu)完整性。在骨水泥組，硫酸鈣骨水泥完全降解(圖6a)。Micro-CT 結(jié)果顯示鎂合金支架組新骨形成量明顯高于對(duì)照組，并且P500組的 BV/TV，BSA/BV 和 Tb.N 值顯著高于 P800和 P1400組(圖6b-e) ，表明 P500支架成骨性能優(yōu)越，較為持久的整理力學(xué)支撐有利于圍關(guān)節(jié)骨缺損的修復(fù)，具有作為骨科植入物的潛力。對(duì)缺損部位進(jìn)行硬組織切片的結(jié)果也與Micro-CT 結(jié)果相吻合(圖7)。
圖6：不同孔徑的鎂合金支架組在4周時(shí)X 射線和micro- CT 結(jié)果
圖7：不同孔徑的鎂合金支架在4周時(shí)鈣黃綠素?zé)晒夂蛠喖谆{(lán)/酸性品紅溶液染色結(jié)果
2、原文信息
Chaoxin Wang, Jinge Liu, Shuyuan Min, Yu Liu, Bingchuan Liu, Yuanyu Hu, Zhengguang Wang, Fengbiao Mao, Caimei Wang, Xiaolin Ma, Peng Wen*, Yufeng Zheng*, and Yun Tian*.
The effect of pore size on the mechanical properties, biodegradation and osteogenic effects of additively manufactured magnesium scaffolds after high temperature oxidation: An in vitro and in vivo study.
Bioactive Materials, 28 (2023) 537-548.
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
