杭电教授使用易加三维金属3D打印机研究如何通过原位控制钛合金植入体表面微观结构促进其骨整合

国际金属加工网 2020年05月25日

杭州电子科技大学机械工程学院副教授M.S.H. Al-Furjan和龚友平教授,2019年在《materials》期刊上发表《In Situ Controlled Surface Microstructure of 3D Printed Ti Alloy to Promote Its Osteointegration》(原位控制3D打印钛合金植入体表面微观结构促进其骨整合)的研究论文,从机械设计和打印参数调整的角度,给金属3D打印植入体的医学研究提供了一种新的视角和参考

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(金属3D打印钛合金植入体)

金属3D打印技术是制作个性化植入物的经济而有效的方法之一,而钛合金具有良好的力学性能,耐腐蚀性强,力学性能高,细胞相容性好。因此,钛合金金属3D打印已被广泛应用于骨科手术和其他医学应用。

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(金属3D打印钛合金植入体)

全球的科研工作者关于3D打印钛种植体的研究已经很多,大部分的研究集中在种植体的力学性能上,而很少关注种植体的表面结构。然而,该论文的实验研究表明,金属植入物的微观结构对生物相容性起着至关重要的作用。一方面,微结构有利于细胞的粘附和增殖,因此,它们可以显著增强细胞的反应;另一方面,微结构能够确定与宿主骨的机械连锁程度,促进合成异物与宿主骨之间的复杂相互作用,这将进一步影响种植体的骨整合能力,并决定种植体的成败。

接下来,让我们详细了解下Lijun Shan教授、龚友平教授是如何基于易加三维EP-M250金属3D打印机完成他的研究并验证实验结果的。

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(杭州电子科技大学实验室中的易加三维EP-M250金属3D打印机)

首先,根据金属粉末床成型原理,通过控制与调整激光功率、扫描路径、打印角度等设备参数,研究者制造出三种不同的钛合金植入体表面微观结构,分别被成为S(条形结构)、B(球状结构)和BS(球状-条形结构)。

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(金属粉末床成型原理与三种微观表面结构的扫描电镜图像)

其次,三种植入体经过水热处理形成多孔纳米结构,再用含10%胎牛血清的培养基溶液在37◦C下浸泡24h,研究其蛋白质的吸附作用。

然后采用小鼠胚胎成骨细胞(MC3T3-E1)进行细胞培养,观察细胞活力、分化和细胞骨架形态,得出实验数据,从而验证钛合金植入体表面微观结构的改变对骨整合的影响的差异性。

该论文的研究数据表明

1.在蛋白质吸附作用方面,B样本和BS样本要优于S样本

2.经过1天和5天的细胞培养之后观察,B样本和BS样本也优于S样本。数据证实:球形微结构能够激发细胞活力。

3.细胞分布的观察则发现,细胞能够很好地分布在S样本上(下图a),却很难爬行到B样本的微球上而仅仅附着在微球的周围(下图b);在BS样本上,因为综合了S样本的表面形态,因此,细胞分布好于B样本((下图C))。实验证明:植入体表面微观结构的差异,的确会影响细胞的生长。

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4.细胞培养到第7天和第14天,细胞分化的观察数据表明:BS样本上的细胞具有较好的成骨分化能力。

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综合所有实验数据,研究者最终得出结论:

细胞成骨分化是种植体的关键特性,因为它与骨整合能力密切相关。细胞不太容易爬到较大的结构上,而粗糙的多孔微观结构可以为细胞提供更多的粘附位点,从而为细胞生长创造更有利的环境。

植入体的微观表面形貌可以改变细胞的增殖、活力和分化,并进一步影响种植体与骨组织之间的整合。而要促进种植体的生物学功能,相比应用仿生涂层、羟基磷灰石(HAP)聚合、酸蚀、喷砂、热处理、化学处理、Mg离子注入等昂贵、耗时的表面改性方式,通过改变金属3D打印机的打印参数,如激光功率、打印路径和轮廓打印等,也可以实现调节植入体表面微观结构的目的。

这种原位调节3D打印种植体的表面微观结构实现定制化的种植体制造的方式和研究结果,将为高成骨和生物反应性的3D打印种植体的原位表面设计和加工提供理论指导和技术支持。

在此,感谢此论文相关学者的研究贡献!

(先临三维)

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