南方医科大学第三医院和广东省新材料研究所：3D打印钛合金支架空间尺寸对细胞增殖，成骨分化和骨长入影响的研究

背景介绍：

人工关节置换是治疗关节疾病的有效方法，初期关节置换采用的是大规模生产的假体，但当今面临的问题是人工关节所需的假体仍没有实现定制化生产；初期手术后的10-20年内出现部分患者因各种原因仍需要再次手术翻修的情况。现如今，关节翻修手术的患者已逐年增多，并在 5-10 年内将可预见性地大量增加。至关重要的是，关节翻修手术现在仍存在许多难以克服的问题，其中骨质缺损是骨科医生面临的最棘手情况，因此导致的翻修手术无法进行或者手术失败的几率高达30 %。翻修术中对骨缺损的处理常需使用异体骨植骨或金属骨小梁配件，在缺损面积较大、骨溶解严重的情况下，翻修关节假体的初期稳定性差，且常出现骨愈合情况不佳等问题将导致手术效果不理想甚至失败。

激光3D打印技术在骨科应用已呈白热化发展。金属3D打印技术，尤其是钛金属粉末的3D打印应用最为广泛，该技术实现初次置换的关节假体打印已经基本成熟并得到了相关认证且有待于进一步扩大其应用范围。然而，在个性化关节翻修方面，如何利用金属3D打印技术生产定制化骨缺损修复模块并呈生理骨小梁样的疏松结构，如何做到与周围骨组织牢固结合并与假体呈一体化无缝连接以获得良好的关节翻修术后的初期稳定性等问题均是关节翻修方面需要考虑的问题，这些考虑也是其是在有严重骨缺损的患者病例中得到重要应用的关键。利用3D打印技术制备出具有一体化骨小梁关节翻修假体，可以实现关节翻修术中骨缺损的个性化修复，增强骨长入，提高骨头与假体的愈合情况，继而提高关节翻修术后假体的初期稳定性，以达到改善临床疗效，降低医疗费用的目的，这些3D打印才具有的独特优点是解决困扰医疗卫生行业中人工关节置换这一巨大难题的重要手段。

成果简介：

近日，南方医科大学第三医院蔡道章教授和广东省新材料研究所刘敏教授团队题为“Influence of the pore size and porosity of selective laser melted Ti6Al4V ELI porous scaffold on cell proliferation, osteogenesis and bone ingrowth”的文章发表在材料科学类知名期刊，Materials Science and Engineering C，其研究了激光3D打印钛合金多孔骨架结构在细胞增殖、成骨细胞分化及对新骨形成的影响。经过系统性研究不同孔径和孔隙率骨架结构的理化性能，得出了最适于多孔植入体的空间几何参数，为解决3D打印钛合金多孔植入体在治疗骨缺损应用中所面临的设计理念及术后恢复效果提供了可以借鉴的参考方案。

实验证明：

体外实验结果表明，3D打印多孔结构的孔径和孔隙率对细胞的增殖和分化有显著影响。基于这项工作中所使用的3D打印多孔钛合金支架可以发现，较低的孔径和孔隙率有助于大鼠骨髓间充质干细胞（rBMMSC），其在实验中展现出更好的细胞粘附，增殖和成骨分化能力。其中，孔径为500 μm，孔隙率为60 ％的多孔支架显示出最佳效果。此外，大鼠体内研究发现，孔径为500 μm，孔隙率为60 ％的支架还具有最高的BV / TV值，因此在所有多孔支架中其骨骼生长效果最佳。根据这项工作的结论认为，将空间正八面体作为基本单元的3D打印多孔骨架结构（孔径约为500 μm，孔隙率约为60％），可制造并用于非骨水泥固定的3D打印多孔承重植入物（例如髋臼杯、膝关节垫块、骨缺损垫块及髋关节假体等）。

图文导读：

图一、3D打印钛合金多孔骨架的制备、细胞实验及动物体内实验示意图。

图二、3D打印钛合金多孔骨架表面润湿性及蛋白吸附能力。

图三、3D打印钛合金多孔骨架细胞毒性。

图四、3D打印钛合金多孔骨架不同时间荧光图像染色。

图五、3D打印钛合金多孔骨架表面rBMMSCs形貌

图六、3D打印钛合金多孔骨架荧光标定rBMMSCs细胞增殖。

图七、使用单因素方差分析和Turky检验评估不同实验组间DNA含量的差异。

图八、通过ALP活性评估成骨分化和成骨相关基因的表达

图九、皮下软组织植入观察

图十、3D打印多孔植入物重建及新骨长入

图十一、3D打印钛合金多孔支架与查考样品BV/TV。

图十二、3D打印钛合金多孔支架植入不同时间后的组织学评估。

经过多年的基础研究，南方医科大学第三医院和广东省新材料研究所团队已开发出多种骨科植入物。目前，团队正在进行骨科植入物大动物实型验证及临床实验的准备阶段，为我国高端医疗设备国产化和创新方面做出贡献，以造福更多患者。

论文链接：DOI：10.1016/j.msec.2019.110289

作者介绍：

蔡道章教授现任南方医科大学第三附属医院院长，中华医学会骨科学分会关节镜学组委员；中华医学会运动医学分会委员；中国医师协会骨科医师分会常委；中国医师协会内镜医师分会常委；广东省医学会骨科学分会副主任委员；广东省医学会关节外科学分会主任委员；广东省医学会运动医学分会名誉主任委员；广东省医学会骨科学分会关节镜学组组长；广东省临床医学学会副会长；SICOT中国部运动医学学组副主任委员、关节外科学组常委；广东省人体组织工程学会理事长。蔡道章教授的主要研究方向涉及骨关节炎的发病机制及相关临床研究，3D打印在关节外科的应用研究以及一体化智能化创伤急救设备的研发等。

刘敏教授现任广东省科学院副院长，现代材料表面工程技术国家工程实验室主任，中国材料研究学会常务理事，中国机械工程学会表面工程分会副主任，中国腐蚀学会高温腐蚀与防护专业委员会分会副主任，先后主持和参加973、863、国际合作、军工配套等项目30多项，多项技术已经应用于航空、钢铁、包装印刷和能源等国民经济部门。入选“新世纪国家百千万人才工程”，享受国务院政府特殊津贴，获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖4项、省部级二等奖5项。刘敏教授的研究方向涉及先进高温功能涂层开发及产业化应用，新型3D打印生物医疗植入物研究与产品开发，固体氧化物燃料电池开发及产业化应用等。

本文由南方医科大学第三医院蔡道章教授和广东省新材料研究所刘敏教授团队供稿。

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