南方醫科大學第三醫院和廣東省新材料研究所：3D打印鈦合金支架空間尺寸對細胞增殖，成骨分化和骨長入影響的研究

背景介紹：

人工關節置換是治療關節疾病的有效方法，初期關節置換采用的是大規模生產的假體，但當今面臨的問題是人工關節所需的假體仍沒有實現定制化生產；初期手術后的10-20年內出現部分患者因各種原因仍需要再次手術翻修的情況。現如今，關節翻修手術的患者已逐年增多，并在 5-10 年內將可預見性地大量增加。至關重要的是，關節翻修手術現在仍存在許多難以克服的問題，其中骨質缺損是骨科醫生面臨的最棘手情況，因此導致的翻修手術無法進行或者手術失敗的幾率高達30?%。翻修術中對骨缺損的處理常需使用異體骨植骨或金屬骨小梁配件，在缺損面積較大、骨溶解嚴重的情況下，翻修關節假體的初期穩定性差，且常出現骨愈合情況不佳等問題將導致手術效果不理想甚至失敗。

激光3D打印技術在骨科應用已呈白熱化發展。金屬3D打印技術，尤其是鈦金屬粉末的3D打印應用最為廣泛，該技術實現初次置換的關節假體打印已經基本成熟并得到了相關認證且有待于進一步擴大其應用范圍。然而，在個性化關節翻修方面，如何利用金屬3D打印技術生產定制化骨缺損修復模塊并呈生理骨小梁樣的疏松結構，如何做到與周圍骨組織牢固結合并與假體呈一體化無縫連接以獲得良好的關節翻修術后的初期穩定性等問題均是關節翻修方面需要考慮的問題，這些考慮也是其是在有嚴重骨缺損的患者病例中得到重要應用的關鍵。利用3D打印技術制備出具有一體化骨小梁關節翻修假體，可以實現關節翻修術中骨缺損的個性化修復，增強骨長入，提高骨頭與假體的愈合情況，繼而提高關節翻修術后假體的初期穩定性，以達到改善臨床療效，降低醫療費用的目的，這些3D打印才具有的獨特優點是解決困擾醫療衛生行業中人工關節置換這一巨大難題的重要手段。

成果簡介：

近日，南方醫科大學第三醫院蔡道章教授和廣東省新材料研究所劉敏教授團隊題為“Influence of the pore size and porosity of selective laser melted Ti6Al4V ELI porous scaffold on cell proliferation, osteogenesis and bone ingrowth”的文章發表在材料科學類知名期刊，Materials Science and Engineering C，其研究了激光3D打印鈦合金多孔骨架結構在細胞增殖、成骨細胞分化及對新骨形成的影響。經過系統性研究不同孔徑和孔隙率骨架結構的理化性能，得出了最適于多孔植入體的空間幾何參數，為解決3D打印鈦合金多孔植入體在治療骨缺損應用中所面臨的設計理念及術后恢復效果提供了可以借鑒的參考方案。

實驗證明：

體外實驗結果表明，3D打印多孔結構的孔徑和孔隙率對細胞的增殖和分化有顯著影響。基于這項工作中所使用的3D打印多孔鈦合金支架可以發現，較低的孔徑和孔隙率有助于大鼠骨髓間充質干細胞（rBMMSC），其在實驗中展現出更好的細胞粘附，增殖和成骨分化能力。其中，孔徑為500?μm，孔隙率為60?％的多孔支架顯示出最佳效果。此外，大鼠體內研究發現，孔徑為500?μm，孔隙率為60?％的支架還具有最高的BV / TV值，因此在所有多孔支架中其骨骼生長效果最佳。根據這項工作的結論認為，將空間正八面體作為基本單元的3D打印多孔骨架結構（孔徑約為500?μm，孔隙率約為60％），可制造并用于非骨水泥固定的3D打印多孔承重植入物（例如髖臼杯、膝關節墊塊、骨缺損墊塊及髖關節假體等）。

圖文導讀：

圖一、3D打印鈦合金多孔骨架的制備、細胞實驗及動物體內實驗示意圖。

圖二、3D打印鈦合金多孔骨架表面潤濕性及蛋白吸附能力。

圖三、3D打印鈦合金多孔骨架細胞毒性。

圖四、3D打印鈦合金多孔骨架不同時間熒光圖像染色。

圖五、3D打印鈦合金多孔骨架表面rBMMSCs形貌

圖六、3D打印鈦合金多孔骨架熒光標定rBMMSCs細胞增殖。

圖七、使用單因素方差分析和Turky檢驗評估不同實驗組間DNA含量的差異。

圖八、通過ALP活性評估成骨分化和成骨相關基因的表達

圖九、皮下軟組織植入觀察

圖十、3D打印多孔植入物重建及新骨長入

圖十一、3D打印鈦合金多孔支架與查考樣品BV/TV。

圖十二、3D打印鈦合金多孔支架植入不同時間后的組織學評估。

經過多年的基礎研究，南方醫科大學第三醫院和廣東省新材料研究所團隊已開發出多種骨科植入物。目前，團隊正在進行骨科植入物大動物實型驗證及臨床實驗的準備階段，為我國高端醫療設備國產化和創新方面做出貢獻，以造福更多患者。

論文鏈接：DOI：10.1016/j.msec.2019.110289

作者介紹：

蔡道章教授現任南方醫科大學第三附屬醫院院長，中華醫學會骨科學分會關節鏡學組委員；中華醫學會運動醫學分會委員；中國醫師協會骨科醫師分會常委；中國醫師協會內鏡醫師分會常委；廣東省醫學會骨科學分會副主任委員；廣東省醫學會關節外科學分會主任委員；廣東省醫學會運動醫學分會名譽主任委員；廣東省醫學會骨科學分會關節鏡學組組長；廣東省臨床醫學學會副會長；SICOT中國部運動醫學學組副主任委員、關節外科學組常委；廣東省人體組織工程學會理事長。蔡道章教授的主要研究方向涉及骨關節炎的發病機制及相關臨床研究，3D打印在關節外科的應用研究以及一體化智能化創傷急救設備的研發等。

劉敏教授現任廣東省科學院副院長，現代材料表面工程技術國家工程實驗室主任，中國材料研究學會常務理事，中國機械工程學會表面工程分會副主任，中國腐蝕學會高溫腐蝕與防護專業委員會分會副主任，先后主持和參加973、863、國際合作、軍工配套等項目30多項，多項技術已經應用于航空、鋼鐵、包裝印刷和能源等國民經濟部門。入選“新世紀國家百千萬人才工程”，享受國務院政府特殊津貼，獲國家科技進步二等獎1項、省部級一等獎4項、省部級二等獎5項。劉敏教授的研究方向涉及先進高溫功能涂層開發及產業化應用，新型3D打印生物醫療植入物研究與產品開發，固體氧化物燃料電池開發及產業化應用等。

本文由南方醫科大學第三醫院蔡道章教授和廣東省新材料研究所劉敏教授團隊供稿。

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