供稿人:蔡智豪 李滌塵 發(fā)布日期：2018-06-02
目前由創(chuàng)傷、感染或腫瘤切除引起的大段骨缺損的再生修復(fù)仍然是一個值得關(guān)注的臨床問題，解決該臨床需求的一個很有希望的方法是通過3D打印制造個性化支架植入物對缺損部位進(jìn)行再生修復(fù)。近日，Julius Wolff研究所的科研人員提出經(jīng)過機(jī)械生物優(yōu)化的鈦網(wǎng)支架可促進(jìn)內(nèi)源性骨缺損再生的假說[1]，該研究中使用的3D鈦合金網(wǎng)支架在大面積節(jié)段性骨缺損修復(fù)上相比于自體骨移植具有很多優(yōu)勢。
通過有限元分析（圖1），研究人員設(shè)計(jì)了兩種不同機(jī)械性能的蜂窩狀鈦網(wǎng)支架，支架在最小化應(yīng)力屏蔽的同時還確保了抗機(jī)械破壞的性能，通過改變支架直徑還可以調(diào)整支架的剛度，蜂窩結(jié)構(gòu)排列形成三個不同方向的通道(軸向、垂直和傾斜)引導(dǎo)骨再生過程。3D鈦網(wǎng)支架通過選區(qū)激光燒結(jié)成型，在移植到活體之前，研究人員對支架進(jìn)行了循環(huán)機(jī)械壓縮試驗(yàn)，在1100N的載荷下經(jīng)過16萬次循環(huán)失效，從而保證了支架在移植在大動物模型之前，避免出現(xiàn)斷裂破壞等現(xiàn)象。隨后，研究人員在綿羊體內(nèi)建立的嚴(yán)重骨缺損模型中測試了軟支架（0.84GPa剛度）和3.5倍硬支架（2.88GPa）的性能（圖2），為了驗(yàn)證局部支架的剛度是否能促進(jìn)愈合，用普通鎖定壓縮板(允許4厘米缺陷的動態(tài)加載)或機(jī)械屏蔽缺陷的剛性定制板來固定缺損。研究顯示，通過設(shè)計(jì)鈦網(wǎng)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械優(yōu)化以減少在給定的缺陷范圍內(nèi)的應(yīng)力屏蔽，而連通孔的幾何設(shè)計(jì)使移植物材料很容易地結(jié)合在一起，更低的應(yīng)力屏蔽導(dǎo)致更早期的缺損橋接，增加軟骨內(nèi)骨的成型，并促進(jìn)了大缺損處的骨再生。
Julius Wolff研究所的研究說明了機(jī)械生物優(yōu)化的3D打印鈦網(wǎng)支架可用于提高大型動物體的骨再生能力，相信在不久的將來，這種生物機(jī)械性能優(yōu)化的3D打印鈦網(wǎng)支架能應(yīng)用于人體的大段骨缺損的修復(fù)，為千萬家庭帶來康復(fù)的希望。
圖 1 3D鈦網(wǎng)支架的有限元分析（A）用普通鎖定壓縮板和擴(kuò)張的鈦合金網(wǎng)固定（B）機(jī)械屏蔽缺陷的剛性定制板和擴(kuò)張的鈦合金網(wǎng)固定（C）2種軟硬支架2種固定板組合的Von Mises應(yīng)力云圖（D）2種軟硬支架2種固定板組合的最大應(yīng)變云圖
圖 2 3D鈦網(wǎng)支架植入羊體內(nèi)不同時間段的CT圖