最近，Bioactive Materials期刊上發(fā)表了一篇研究論文，合著者包括清華大學(xué)的溫鵬教授、北京大學(xué)的鄭玉峰教授以及北醫(yī)三院的田耘醫(yī)生。論文題目為《高溫氧化處理對3D打印鎂合金骨內(nèi)植入體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及其體內(nèi)外生物降解行為的影響》。

        該研究采用了高溫氧化處理工藝，成功形成了鎂合金表面的氧化層和遷移層，從而有效減緩了3D打印鎂合金材料的降解速度。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了孔徑分別為500微米、800微米和1400微米的鎂支架多孔支架（分別稱為P500、P800和P1400），并對其力學(xué)性能、生物相容性、降解行為和成骨能力進(jìn)行了體內(nèi)外的綜合評價。

        研究結(jié)果表明，P500結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)出色，具有較好的力學(xué)特性和降解性能?；谶@一啟示，我們可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來調(diào)控鎂合金支架的力學(xué)性能和降解速率，從而實(shí)現(xiàn)對骨缺損的有效重建。

研究內(nèi)容簡介

        圍繞關(guān)節(jié)區(qū)骨缺損這一常見而復(fù)雜的臨床問題，存在著對植骨材料和其結(jié)構(gòu)研發(fā)的挑戰(zhàn)。治療骨缺損需要使用能夠在應(yīng)力下持久支撐關(guān)節(jié)表面的整體支架，并且在降解過程中形成有利于骨生長的環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)缺損區(qū)域和關(guān)節(jié)表面的穩(wěn)定修復(fù)。增材制造技術(shù)為精準(zhǔn)修復(fù)骨缺損帶來了技術(shù)革命，通過將生物可降解的鎂金屬與增材制造相結(jié)合，可以制備具有"生物活性可降解"和"定制化結(jié)構(gòu)"的個性化骨植入物，這已成為骨缺損治療領(lǐng)域的前沿發(fā)展方向。

        增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多孔結(jié)構(gòu)的制備，但同時也增加了材料的比表面積，在與體液接觸時會加速降解過程。因此，如何在實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的同時控制鎂合金修復(fù)體的吸收速率，一直是研究者們關(guān)注的問題。

        本文設(shè)計(jì)了研究概要圖（圖1），運(yùn)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。針對三種不同孔徑的鎂支架多孔支架，進(jìn)行了體內(nèi)外的力學(xué)性能、生物相容性、降解行為和成骨能力的研究。旨在為激光增材制造生物可降解鎂合金在臨床應(yīng)用上的推廣奠定基礎(chǔ)，同時也希望能夠解決骨缺損精準(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

        為了解決WE43鎂合金多孔支架在生物體內(nèi)降解過快的問題，我們的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種抑制降解的高溫氧化處理工藝，并形成了一個具有氧化層的表面（圖2b）。根據(jù)EDS分析結(jié)果（圖2c），在高溫氧化處理后，支架表面形成了含有Y、Nd、Gd、Zr和O等元素的氧化物層，該層能夠隔離鎂合金基體與體液，從而減緩鎂合金支架的降解速率。

        我們的研究團(tuán)隊(duì)制備了三種不同孔徑的鎂合金支架，分別為500微米、800微米和1400微米（P500、P800和P1400）。這些不同孔徑的鎂合金支架表面形貌相似，并且沒有明顯的缺陷（圖3b-d）。然而，它們在體外的力學(xué)行為卻存在明顯差異，其中P500表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)性能（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)測試（c）

二、體外生物相容性及促成骨能力

        為了評估鎂合金支架的生物相容性，我們將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞直接植入P500、P800和P1400組的鎂合金支架上。結(jié)果顯示，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞能夠良好地附著在P500、P800和P1400組的支架表面（圖4a）。研究團(tuán)隊(duì)采用間接接觸法測試了鎂合金支架的體外生物相容性。細(xì)胞活力/死亡染色、細(xì)胞凋亡測試和CCK-8細(xì)胞毒性試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有組別的細(xì)胞具有良好的相容性，并且各組別之間沒有顯著差異（圖4b-d）。

        隨后，為了測試鎂合金支架的體外成骨性能，我們在培養(yǎng)基中添加了地塞米松、L-抗壞血酸和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)的礦化水平均較對照組高，其中P500組的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有最顯著的成骨性能。隨后，通過蛋白質(zhì)免疫印跡實(shí)驗(yàn)定量分析了成骨相關(guān)分子蛋白的表達(dá)水平，結(jié)果顯示P500組的成骨相關(guān)分子蛋白表達(dá)水平較其他組更高（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）和生物相容性測試（b-f）

圖5：不同孔徑的鎂合金支架組體外促成骨能力測試：（a）堿性磷酸酶染色和(b) 堿性磷酸酶活性測試，(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在體內(nèi)的生物降解行為和促成骨能力，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步進(jìn)行了兔股骨髁缺損模型的實(shí)驗(yàn)，并以硫酸鈣骨水泥作為對照。結(jié)果顯示，在手術(shù)后的4周，WE43多孔支架結(jié)構(gòu)仍然清晰可見，表明支架沒有明顯降解，保持了良好的結(jié)構(gòu)完整性。而在骨水泥組中，硫酸鈣骨水泥已完全降解（圖6a）。

        Micro-CT結(jié)果顯示，鎂合金支架組的新骨形成量明顯高于對照組，并且P500組的BV/TV、BSA/BV和Tb.N值顯著高于P800和P1400組（圖6b-e）。這說明P500支架具有優(yōu)越的成骨性能，較持久的結(jié)構(gòu)力學(xué)支撐有助于圍關(guān)節(jié)骨缺損的修復(fù)，并具有作為骨科植入物的潛力。對缺損部位進(jìn)行的硬組織切片結(jié)果與Micro-CT結(jié)果相一致（圖7）。

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