清華新聞網(wǎng)1月10日電 近日，清華大學(xué)機(jī)械系溫鵬副教授課題組和中國人民解放軍總醫(yī)院第四醫(yī)學(xué)中心口腔科李巖峰教授團(tuán)隊(duì)開展醫(yī)工交叉合作，將增材制造可降解鋅合金多孔支架用于骨缺損填充修復(fù)，并取得系列進(jìn)展。
因腫瘤切除或嚴(yán)重創(chuàng)傷等造成的大范圍骨缺損是臨床治療上的棘手難題，需要在形態(tài)不規(guī)則的骨缺損處填充骨植入物完成特定修復(fù)功能。鋅是人體必需的生命元素，其人體內(nèi)含量在所有金屬元素中排序第六，世衛(wèi)組織推薦健康成年人每天需攝取鋅15mg。鋅能夠在人體內(nèi)安全降解，消除了植入物長期存在的隱患；適量的鋅離子可促進(jìn)骨再生，同時(shí)起到抗菌消炎效果。然而，過快的降解導(dǎo)致承載不足，且局部過量的鋅離子對(duì)骨代謝有不利影響；過慢的降解則無法形成骨組織完全修復(fù)重建。因此，調(diào)控骨植入物的降解速率，使之與骨重建需求匹配并提升骨再生療效是目前可降解鋅合金臨床應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。溫鵬課題組通過醫(yī)工交叉合作，利用增材制造技術(shù)制備了可降解鋅合金多孔支架，并從合金成分、孔隙設(shè)計(jì)和表面涂層多個(gè)方面調(diào)控了其降解行為，揭示了降解機(jī)制及其對(duì)骨再生的影響，并在動(dòng)物試驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了良好的促成骨效果。
研究人員通過在鋅中加入2%的鎂制備了Zn-2Mg合金粉末，采用激光粉末床熔融和三周期極小曲面方法，設(shè)計(jì)并制備了具有不同孔隙率（40%、60%和80%）和單元尺寸（1.5、2和2.5mm）的Zn-2Mg合金多孔支架，結(jié)合體外和動(dòng)物試驗(yàn)分析了合金化和孔隙單元對(duì)支架性能的影響（圖1）。加入生物活性更優(yōu)且有促成骨能力的鎂后，Zn-2Mg支架表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性和成骨能力。承載強(qiáng)度隨孔隙率和單元尺寸的增加而降低，降解失重隨孔隙率增加和單元尺寸減小而增加。具有較低的孔隙率和較小的單元尺寸的支架能提供合適的孔徑和表面積，因此具有更強(qiáng)的成骨能力。研究結(jié)果表明，3D打印鋅合金多孔支架能夠充分發(fā)揮材料結(jié)構(gòu)功能一體化優(yōu)勢(shì)，有望滿足骨缺損修復(fù)的個(gè)性化需求，提升骨修復(fù)療效。相關(guān)成果以“具有可定制降解行為和優(yōu)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）（論文1）發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）期刊。
圖1.孔隙設(shè)計(jì)調(diào)控鋅合金支架成骨能力及其機(jī)理示意圖
鎂的加入雖然有利于提高生物活性和成骨能力，但隨著鎂含量增加，Zn-Mg合金塑性降低，強(qiáng)度先升高后降低，Zn-1Mg表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能，更適于有承載需求的骨缺損填充支架。通過在純鋅和Zn-1Mg多孔支架表面制備負(fù)載抗菌藥物萬古霉素（Van）和具有骨誘導(dǎo)功能的生長因子BMP2的羥基磷灰石（HA）/聚多巴胺（PDA）復(fù)合涂層，有效提升了鋅合金多孔支架的抗菌及成骨能力（圖2）。與裸支架相比，復(fù)合涂層支架有效抑制了植入早期Zn2+的快速釋放，負(fù)載了Van和BMP2的HA/PDA復(fù)合涂層在體內(nèi)外試驗(yàn)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性、成骨活性以及抗菌能力，有望解決骨缺損修復(fù)過程中高發(fā)的感染問題以及復(fù)雜情況下的骨重建再生難題。相關(guān)研究成果以“一種改善Zn-1Mg多孔支架可降解骨植入物成骨和抗菌性能的藥物負(fù)載復(fù)合涂層”（A drug-loaded composite coating to improve osteogenic and antibacterial properties of Zn-1Mg porous scaffolds as biodegradable bone implants）（論文2）和“用于治療感染性骨缺損的含載藥涂層的生物可降解鋅支架的體內(nèi)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）（論文3）為題，分別發(fā)表于《生物活性材料》（Bioactive Materials）和《今日材料生物》（Materials Today Bio）期刊。
圖2.復(fù)合涂層大幅提升鋅合金支架的成骨活性及抗菌作用
溫鵬、李巖峰和中國人民解放軍總醫(yī)院第四醫(yī)學(xué)中心骨科醫(yī)學(xué)部研究所副教授趙彥濤為上述論文的共同通訊作者，清華大學(xué)機(jī)械系2020級(jí)博士生劉奧博（論文1、2）、博士后謝東序（論文3）和中國人民解放軍總醫(yī)院第四醫(yī)學(xué)中心醫(yī)師張振保（論文1、2、3）、樊佳東（論文2）、2020級(jí)碩士生王萱（論文1）和金香（論文3）為論文的共同第一作者。研究得到國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、高端裝備界面科技全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題等的資助。
論文1鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202307329
論文2鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X23001354?via%3Dihub
論文3鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590006423003459?via%3Dihub
供稿：機(jī)械系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
