清华大学 l 可降解锌合金多孔支架用于骨缺损填充修复

因肿瘤切除或严重创伤等造成的大范围骨缺损是临床治疗上的棘手难题,需要在形态不规则的骨缺损处填充骨植入物完成特定修复功能。

Valley_植入物© 3D科学谷白皮书

近日,清华大学机械系温鹏副教授课题组和中国人民解放军总医院第四医学中心口腔科李岩峰教授团队开展医工交叉合作,将增材制造可降解锌合金多孔支架用于骨缺损填充修复,并取得系列进展。

block 提升骨再生疗效

锌是人体必需的生命元素,其人体内含量在所有金属元素中排序第六,世卫组织推荐健康成年人每天需摄取锌15 mg。锌能够在人体内安全降解,消除了植入物长期存在的隐患;适量的锌离子可促进骨再生,同时起到抗菌消炎效果。然而,过快的降解导致承载不足,且局部过量的锌离子对骨代谢有不利影响;过慢的降解则无法形成骨组织完全修复重建。因此,调控骨植入物的降解速率,使之与骨重建需求匹配并提升骨再生疗效是目前可降解锌合金临床应用的技术瓶颈。

温鹏课题组通过医工交叉合作,利用增材制造技术制备了可降解锌合金多孔支架,并从合金成分、孔隙设计和表面涂层多个方面调控了其降解行为,揭示了降解机制及其对骨再生的影响,并在动物试验上实现了良好的促成骨效果。

通过在锌中加入2%的镁制备了Zn-2Mg合金粉末,采用激光粉末床熔融和和三周期极小曲面方法,设计并制备了具有不同孔隙率(40%、60%和80%)和单元尺寸(1.5、2和2.5 mm)的Zn-2Mg合金多孔支架,结合体外和动物试验分析了合金化和孔隙单元对支架性能的影响(图1)。加入生物活性更优且有促成骨能力的Mg后,Zn-2Mg支架表现出优异的生物相容性和成骨能力。承载强度随孔隙率和单元尺寸的增加而降低,降解失重随孔隙率增加和单元尺寸减小而增加。具有较低的孔隙率和较小的单元尺寸的支架能提供合适的孔径和表面积,因此具有更强的成骨能力。研究结果表明,3D打印锌合金多孔支架能够充分发挥材料结构功能一体化优势,有望满足骨缺损修复的个性化需求,提升骨修复疗效。相关成果以“具有可定制降解行为和优良促成骨能力的Zn-2Mg合金多孔支架”(Additively manufactured Zn‐2Mg alloy porous scaffolds with customizable biodegradable performance and enhanced osteogenic ability)(论文一)发表于《先进科学》(Advanced Science)。

tinghua图1.孔隙设计调控锌合金支架成骨能力及其机理示意图
© 清华大学

Mg的加入虽然有利于提高生物活性和成骨能力,但随着Mg含量增加,Zn-Mg合金塑性降低,强度先升高后降低,Zn-1Mg表现出良好的综合力学性能,更适于有承载需求的骨缺损填充支架。通过在纯锌和Zn-1Mg多孔支架表面制备负载抗菌药物万古霉素(Van)和具有骨诱导功能的生长因子BMP2的羟基磷灰石(HA)/聚多巴胺(PDA)复合涂层,有效提升了锌合金多孔支架的抗菌及成骨能力(图2)。与裸支架相比,复合涂层支架有效抑制了植入早期Zn2+的快速释放,负载了Van和BMP2的HA/PDA复合涂层在体内外试验中均表现出优异的生物相容性、成骨活性以及抗菌能力,有望解决骨缺损修复过程中高发的感染问题以及复杂情况下的骨重建再生难题。相关研究成果以“一种改善Zn-1Mg多孔支架可降解骨植入物成骨和抗菌性能的药物负载复合涂层”(A drug-loaded composite coating to improve osteogenic and antibacterial properties of Zn-1Mg porous scaffolds as biodegradable bone implants)(论文二)和“用于治疗感染性骨缺损的含载药涂层的生物可降解锌支架的体内外研究”(In vitro and in vivo studies on biodegradable Zn porous scaffolds with a drug-loaded coating for the treatment of infected bone defect)(论文三)为题,分别发表于《生物活性材料》(Bioactive Materials)和《今日材料生物》(Materials Today Bio)。

tinghua2图2.复合涂层大幅提升锌合金支架的成骨活性及抗菌作用
© 清华大学

清华大学机械系温鹏副教授、中国人民解放军总医院第四医学中心口腔科李岩峰教授和骨科医学部研究所赵彦涛副教授为上述论文的共同通讯作者,机械系2020级博士研究生刘奥博(论文1、2)、博士后谢东序(论文3)和解放军总医院第四医学中心医师张振保(论文1-3)、樊佳东(论文2)、2020级硕士研究生王萱(论文1)和金香(论文3)为论文的共同第一作者。上述研究得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金、高端装备界面科技全国重点实验室自主研究课题等项目资助。

论文1链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202307329

论文2链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X23001354?via%3Dihub

论文3链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590006423003459?via%3Dihub

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