3D打印多孔鈦合金孔隙結(jié)構(gòu)對骨誘導(dǎo)性能影響的研究進(jìn)展

李昃鵬，薛靜波

進(jìn)入21世紀(jì)，損傷、感染及腫瘤等各種疾病導(dǎo)致的骨缺損愈發(fā)常見，如何成功修復(fù)大塊骨缺損成為骨科醫(yī)師面對的一大難題，利用骨替代材料進(jìn)行骨移植是目前的主要選擇。理想的骨替代材料應(yīng)具備以下幾種特性：①良好的生物相容性；②良好的生物降解性；③具有骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)作用；④具有可塑性和較好強(qiáng)度；⑤材料表面微環(huán)境良好[1]。自體骨一直被認(rèn)為是骨缺損的最佳替代材料，但供骨量有限、取骨時造成新的創(chuàng)傷及病理性自體骨質(zhì)量差等因素限制了自體骨移植的廣泛應(yīng)用[2]。

為解決臨床的迫切需求，組織工程骨應(yīng)運而生。目前已開發(fā)出多種具有良好生物學(xué)和力學(xué)性能的骨替代材料，廣泛應(yīng)用于骨科及口腔頜面外科領(lǐng)域，取得良好的治療效果[3-4]。相比于傳統(tǒng)的支架材料，目前研發(fā)的新型骨替代材料具備誘導(dǎo)細(xì)胞在非骨性環(huán)境中成骨的潛能，即骨誘導(dǎo)性能，而擁有良好骨誘導(dǎo)性能的骨替代材料可以修復(fù)更大面積的骨缺損，同時加速骨缺損的愈合[5]。

多孔鈦合金具有良好的理化特性，是近年來骨科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的骨替代材料[6-7]。利用3D打印技術(shù)可對多孔鈦合金材料內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確設(shè)計，使其更接近于人體的骨組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而制作出符合患者需求的個性化植入物[8]。本文就3D打印多孔鈦合金骨替代材料物理參數(shù)對骨誘導(dǎo)性能影響的研究進(jìn)展綜述如下。

1 多孔鈦合金的機(jī)械性能

鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點，目前被廣泛應(yīng)用于醫(yī)用材料領(lǐng)域。但鈦合金的彈性模量約110 GPa，顯著高于人體皮質(zhì)骨的彈性模量（3～30 GPa）[9]，這種數(shù)量級上的差異導(dǎo)致鈦合金植入物與骨組織在受力后變形程度不一致，長期使用可能產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象。多孔鈦合金在結(jié)構(gòu)上與多孔網(wǎng)架狀結(jié)構(gòu)的松質(zhì)骨類似，這也是其作為骨替代材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

骨植入物支架必須具有能夠支撐骨應(yīng)力的機(jī)械力學(xué)性能?？紫督Y(jié)構(gòu)是影響材料抗壓強(qiáng)度與抗疲勞性能的重要因素。孔隙率過大會降低材料的抗壓強(qiáng)度與抗疲勞性能；孔隙率過低則會縮小骨長入有效空間，影響骨組織長入支架內(nèi)部[10]。因此，設(shè)計既滿足力學(xué)性能要求、又擁有良好生物學(xué)性能的孔隙結(jié)構(gòu)對于多孔骨替代材料尤為重要。Peng等[11]研究發(fā)現(xiàn)，孔隙率60%～80%、孔徑大小480～685μm的多孔鈦合金具有良好的機(jī)械力學(xué)性能，且圓柱形多孔支架強(qiáng)度高于立方體形支架；Ma等[12]認(rèn)為，骨植入多孔材料孔隙率控制在75%時可有效降低彈性模量，同時為骨長入提供物理空間；Xu等[9]通過制備孔隙率控制在50.8%～66.9%的多孔Ti-10Mo合金，研究孔隙特性對材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，孔隙率為63.4%時Ti-10Mo合金的力學(xué)性能最佳，該參數(shù)下多孔鈦合金彈性模量為2.9 GPa，抗壓強(qiáng)度為127.5 MPa。Hedayati[13]等利用選擇性激光熔融（selective laser melting，SLM）技術(shù)制備孔隙率在66%～84%的多孔鈦合金，并對各樣品進(jìn)行載荷試驗，結(jié)果表明較低孔隙率的多孔鈦合金抗疲勞性能更好?？傊?，大多數(shù)力學(xué)研究提示孔隙率為60%～80%的多孔鈦合金支架機(jī)械性能更好，但尋找使材料達(dá)到最佳機(jī)械性能的物理參數(shù)，仍需進(jìn)行更細(xì)化的研究。

2 骨誘導(dǎo)與多孔鈦合金材料

“骨誘導(dǎo)”這一概念首次出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代，Urist[14]將“直接誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞，進(jìn)而在非骨環(huán)境中激發(fā)骨生成的性能”定義為骨誘導(dǎo)性能。從骨生長角度而言，充足的營養(yǎng)物質(zhì)是細(xì)胞在支架中生長必不可少的條件，開放的多孔結(jié)構(gòu)允許骨組織長入內(nèi)植物內(nèi)部，其微孔結(jié)構(gòu)使骨組織與支架結(jié)合更為緊密，從而限制骨與內(nèi)植物之間的微移動；同時多孔結(jié)構(gòu)可以維持細(xì)胞形態(tài)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附和增殖，不僅有利于營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物質(zhì)的運輸，還為血管和神經(jīng)長入提供可觀的物理空間，更利于骨組織的長入及長期穩(wěn)定[15-16]。有研究者比較多孔鈦結(jié)構(gòu)椎體和實體鈦結(jié)構(gòu)椎體植入動物體內(nèi)的長入效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種鈦結(jié)構(gòu)都能獲得良好的即刻穩(wěn)定性，但多孔鈦結(jié)構(gòu)椎體的遠(yuǎn)期融合性能優(yōu)于實體鈦結(jié)構(gòu)椎體[17]。

3 3D打印多孔鈦合金孔隙結(jié)構(gòu)對骨誘導(dǎo)性能的影響

作為目前臨床上廣泛應(yīng)用的骨替代材料，3D打印多孔鈦合金主要通過調(diào)控孔隙尺寸、孔隙率、表面形貌及孔隙形狀等參數(shù)來調(diào)節(jié)其骨誘導(dǎo)性能。

3.1 孔隙尺寸

多孔植入物微孔孔徑大小的設(shè)計一直是近年來骨組織工程研究的重點。理想的孔徑大小不僅要利于細(xì)胞間的物質(zhì)運輸和交換，為成骨細(xì)胞的增殖遷移和血管神經(jīng)長入提供優(yōu)越的環(huán)境，還需保證足夠的強(qiáng)度來承受骨的應(yīng)力。1970年Hulburt等[18]從生物相容性和天然骨吸收的角度探討多孔材料用于骨缺損永久修復(fù)的可行性，提出多孔植入物孔徑超過100μm時即可影響骨長入。Li等[19]將電子束熔融（electron beam melting，EBM）技術(shù)制備而成的300～400μm、400～500μm、500～700μm 3種孔徑大小的多孔鈦合金支架分別與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）共培養(yǎng)，同時設(shè)計一組Ti6Al4V致密支架作為對照，結(jié)果表明孔徑為300～400μm的多孔鈦合金支架最有利于BMSCs的增殖和分化。Warnke等[20]通過3D打印技術(shù)制備孔徑尺寸為0.45～1.2 mm的多孔鈦合金材料，體外研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔徑＞0.7 mm時，培養(yǎng)的人成骨細(xì)胞數(shù)量逐漸減少，骨組織無法長滿全部孔洞；孔徑尺寸為0.5～0.6 mm時，成骨細(xì)胞生長最為旺盛，可填滿全部孔洞。周鵬[21]利用3D打印制作出不同孔徑大小和孔隙率的多孔鈦合金涂層并在其表面培養(yǎng)MG-63細(xì)胞，結(jié)果顯示微孔較小的兩組多孔鈦合金（218.7μm、61.2%，262μm、68.1%）有利于細(xì)胞黏附和分化，而微孔較大的多孔鈦合金（753μm、89.0%）有利于細(xì)胞增殖，繼續(xù)培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)孔徑262μm、孔隙率68.1%的多孔涂層表面覆蓋的骨質(zhì)最多。

動物實驗方面，付君等[22]利用3D打印技術(shù)設(shè)計出總孔隙率為（55.48±0.61）%、孔徑（319.21±25.05）μm的多孔鈦合金并植入豬髖臼缺損模型，結(jié)果顯示該植入物多孔結(jié)構(gòu)中有骨小梁長入，提示該參數(shù)下多孔鈦合金具有良好的骨誘導(dǎo)性能。Taniguchi等[23]利用SLM技術(shù)制備孔徑大小分別為300、600、900μm的多孔鈦合金，植入兔脛骨缺損模型后發(fā)現(xiàn)600μm孔徑材料與骨組織的結(jié)合能力最強(qiáng)。

總的來說，孔徑過小會限制細(xì)胞的長入空間，阻礙營養(yǎng)物質(zhì)的運輸，導(dǎo)致成骨細(xì)胞生長不良；孔徑過大則會降低植入材料的抗壓性能和強(qiáng)度。因此，確定最適宜成骨的孔隙尺寸，需要在材料力學(xué)性能和生物相容性之間找到最佳的平衡點。

3.2 孔隙率

孔隙率是材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下總體積的百分比，植入物的孔隙率可影響物質(zhì)在不同孔隙間的自由移動能力和交換能力，進(jìn)而影響材料的骨生長水平。原則上多孔植入物的孔隙率越接近人體松質(zhì)骨孔隙率（70%～90%），則越有利于骨生長。孔隙率過高，會降低植入物的抗壓性能及強(qiáng)度，難以承受骨的應(yīng)力，導(dǎo)致使用壽命縮短；孔隙率過低，則阻礙細(xì)胞的物質(zhì)交換，影響成骨能力[24]。Tamaddon等[25]利用3D打印技術(shù)研制一種孔隙率為72%的多孔鈦支架，在其表面接種羊BMSCs進(jìn)行體外培養(yǎng)，結(jié)果顯示，細(xì)胞在該支架表面上有良好的黏附能力。Cheng等[26]通過3D打印技術(shù)制備孔隙率分別為（15.0±2.9）%、（37.9±4.0）%、（70.0±3.5）%的3種多孔鈦合金支架，并在其表面種植MG-63細(xì)胞，結(jié)果提示3種支架表面細(xì)胞均有較高的存活率，但（70.0±3.5）%高孔隙率組中的細(xì)胞存活率最高。Xu等[27]制備孔隙度分別為40%、70%的多孔鈦合金支架，接種兔BMSCs進(jìn)行培養(yǎng)，同時以致密鈦合金作為對照，結(jié)果發(fā)現(xiàn)40%和70%孔隙率組細(xì)胞在材料表面增殖較快，其中70%孔隙率組細(xì)胞從邊緣生長到孔隙中的時間更短，細(xì)胞連接更緊密。國內(nèi)王雷和李強(qiáng)[28]的實驗亦得到類似結(jié)果。

3.3 孔隙形狀

多孔植入物的孔隙形狀可改變細(xì)胞在多孔支架內(nèi)部的有效空間分布，從而影響細(xì)胞的生物學(xué)行為。Zaharin等[29]研究300～600μm孔徑的立方體形和螺旋形微孔對多孔鈦合金性能的影響，結(jié)果表明，立方體形結(jié)構(gòu)更適合種植體應(yīng)用，而具有陀螺結(jié)構(gòu)的所有樣品均適用于種植體。Van Bael等[30]通過SLM法制備3種不同形狀（三角形、六角形和矩形）、2種不同孔徑（500μm和1 000μm）的6種Ti6Al4V支架材料，研究孔徑、孔型和通透性對3D人骨膜衍生細(xì)胞體外增殖和分化的影響，結(jié)果證實，孔徑500μm、六角形支架上的孔隙阻塞率最高。亦有學(xué)者采用SLM技術(shù)制備具有3種不同微孔形狀（立方體形、錐形、對角線形）的多孔鈦合金支架，分別在其表面培養(yǎng)人成骨細(xì)胞，結(jié)果表明，錐形微孔支架上的成骨細(xì)胞代謝活性顯著高于其他兩種支架，而比較立方體形和對角線形兩種結(jié)構(gòu)表面的細(xì)胞代謝活性，并未發(fā)現(xiàn)有明顯差異[31]。由此可見，孔隙形狀的不同可影響多孔植入物的成骨能力，但有關(guān)調(diào)控植入物骨誘導(dǎo)性能的最佳孔隙形狀及其影響機(jī)制，目前尚無定論，這可能與實驗中難以控制孔隙形狀這一單一變量有關(guān)。

3.4 表面形貌

研究表明，在一定粗糙范圍內(nèi)，較粗糙的鈦合金支架表面比相對光滑的表面更有利于成骨細(xì)胞生長[32-33]，這可能是因為相對粗糙的表面形貌能增加成骨細(xì)胞黏附的接觸面積，增大材料表面的摩擦力，使成骨細(xì)胞更容易黏附在材料表面，從而有利于細(xì)胞長入。Liang等[34]在不同寬度（0.5～1.0μm、1～1.5μm、1.5～2.0μm）溝槽和不同直徑（20～30 nm、30～50 nm、50～100 nm）納米粒子組成的復(fù)合表面接種人BMSCs，結(jié)果表明，由1.5～2.0μm溝槽和50～100 nm粒子組成的較粗糙表面最有利于骨整合。但也有研究提出不同觀點，Saruta等[35]在具有微粗糙（1～5μm）間隔和亞微粗糙（0.1～0.5μm）間隔的鈦支架表面培養(yǎng)大鼠成骨細(xì)胞，比較兩種支架植入大鼠模型后股骨與支架的整合能力，結(jié)果顯示，亞微粗糙表面附著的細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞密度大于微粗糙表面，但微粗糙表面的骨整合能力優(yōu)于亞微粗糙表面。Fojt等[36]利用SLM和EBM技術(shù)分別制備表面粗糙程度不同的鈦合金，在其表面分別種植骨肉瘤細(xì)胞，結(jié)果證實細(xì)胞在較粗糙表面上的增殖能力不如較光滑表面。此外，有研究者采用噴砂、酸蝕與氧化法結(jié)合處理后得到一種鈦復(fù)合表面，在保持起始微/亞微粗糙度的同時，鈦表面形成了可控的納米結(jié)構(gòu)；將MG-63細(xì)胞接種于該復(fù)合表面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合表面比單純納米結(jié)構(gòu)鈦表面更有利于細(xì)胞分化和局部因子的產(chǎn)生，這表明納米級結(jié)構(gòu)與微/亞微尺度的粗糙度相結(jié)合可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖分化[37]。

4 總結(jié)和展望

3D打印多孔植入物用于骨缺損治療是組織工程領(lǐng)域的一項新突破。利用3D打印技術(shù)，可對植入材料的孔隙尺寸、孔隙率、孔隙形狀及表面形貌等物理參數(shù)進(jìn)行精確的微孔設(shè)計，這種優(yōu)勢是傳統(tǒng)骨植入支架難以比擬的，因此可以制作出生物相容性和機(jī)械性能更為理想的個性化植入物，充分滿足患者需求。

盡管目前3D打印多孔鈦合金材料的相關(guān)研究取得諸多進(jìn)展，但仍有不足之處：①實驗結(jié)果在不同的動物和細(xì)胞模型之間可能存在差異；②難以評價單一因素對于骨長入效果的作用；③金屬支架與骨組織之間接觸的不同部位需求的參數(shù)可能不同。不斷改進(jìn)多孔鈦合金材料，使其各項性能與自體骨更加接近仍是目前的研究重點。

今后也可嘗試?yán)没颊咦陨斫M織構(gòu)建血管化3D打印支架[38]，從而達(dá)到更加完美的誘導(dǎo)效果。3D打印技術(shù)幾乎能夠滿足設(shè)計者對材料的所有可控性需求，利用這一優(yōu)勢，可在3D打印多孔植入物的微孔內(nèi)攜帶相關(guān)藥物進(jìn)行局部骨組織靶向治療[39]，使3D打印多孔植入物不僅在設(shè)計上實現(xiàn)“量體裁衣”，在治療上也能起到“對癥下藥”的效果。而未來在3D打印的基礎(chǔ)上，引入對時間產(chǎn)生相關(guān)形變的材料[40]，將實現(xiàn)從3D生物打印到4D生物打印的飛躍，從而使多孔鈦合金植入物具有更廣闊的應(yīng)用前景。