供稿人：劉穎潔 王玲 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-07-28
鈦合金股骨柄已廣泛應用于人工髖關節(jié)置換術，且取得了顯著療效。然而，由于嚴重的骨吸收現(xiàn)象，鈦合金股骨柄在骨質(zhì)疏松癥患者中的應用受到了限制。目前，上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院的賈偉濤團隊設計了一種新型的多層級生物功能化3D打印多孔Ti6Al4V支架，通過免疫治療來提升骨質(zhì)疏松癥下多孔Ti6Al4V支架的骨整合效果，如圖1所示。支架的宏觀大孔結構主要起機械支撐作用，微米級孔隙促進了細胞粘附，增強了支架生物相容性，納米結構通過搭載生物分子，起調(diào)控免疫細胞活動的作用。體外細胞培養(yǎng)實驗和動物體內(nèi)植入實驗證明了這種新型支架能與骨質(zhì)疏松骨進行良好的骨整合。
圖1 一種多層級生物功能化3D打印多孔Ti6Al4V支架構建示意圖
支架的宏觀孔結構為金剛石型單胞的三周期極小曲面（TPMS）結構，通過選擇性激光融化（SLM）3D打印技術制造，如圖2(a)所示。對打印后的支架進行生物功能化處理，將其浸沒在不同溶液中冷凍處理一段時間，使載藥體icariin@Mg-MOF-74 (ICA@MOF)被包裹在支架類細胞質(zhì)基質(zhì)結構上，用于控制淫羊藿苷以及Mg2+離子的釋放。圖2(b)所示為裝載淫羊藿苷前后金屬有機框架（MOF）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
圖2 3D打印多孔Ti6Al4V支架。(a)不同標尺下的支架實體圖。(b)MOF在裝載淫羊藿苷前后的SEM圖像 (c)MOF裝載淫羊藿苷過程示意圖
研究對生物功能化前后的支架進行了壓縮彈性模量與屈服強度的測量，結果顯示其力學性能變化不大，表明生物功能化過程不顯著影響支架的機械行為。在支架鼠骨髓間充質(zhì)干細胞（rBMSCs）體外培養(yǎng)實驗中，rBMSCs均粘附在四種不同改性方法下的Ti6Al4V支架多孔表面上，但使用了載藥體ICA@MOF支架的生物相容性最好，且具有最佳的促進rBMSCs成骨分化的能力。為進一步分析生物功能化多孔支架在體內(nèi)的作用機理，該研究進行了動物體內(nèi)植入實驗，在骨質(zhì)疏松癥大鼠股骨遠端髓內(nèi)植入了生物功能化多孔支架。實驗結果如圖3所示，支架周圍和內(nèi)部均形成大量新骨，Ti/SF/MOF/I組（使用載藥體ICA@MOF）的新骨形成量大于其余各組。實驗分析表明生物活性化的多孔Ti6Al4V支架可以通過控制釋放淫羊藿苷和Mg2+，來抑制notch1信號通路，進而誘導巨噬細胞分泌抗炎細胞因子，從而顯著改善骨代謝，促進多孔支架與骨質(zhì)疏松骨的骨整合。
圖3骨質(zhì)疏松癥大鼠股骨的骨整合CT評價。(a)微型CT的冠狀面，矢狀面，橫斷面和3D模型圖像，3D模型圖像中的紅色部分表示新骨。(b-d)CT數(shù)據(jù)的定量分析。
該研究研制了一種具有可控釋放淫羊藿苷和Mg2+功能的多層級生物功能化多孔Ti6Al4V骨植入物。研究結果表明，該多孔支架植入物能通過免疫途徑調(diào)節(jié)骨代謝，增強植入物與宿主骨質(zhì)疏松骨之間的骨整合，為老年骨質(zhì)疏松癥患者所使用的鈦合金股骨柄優(yōu)化提供了一種新的策略。