打印金属基生物材料工艺和临床应用的问题与趋(3)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】2.2.3 镁基金属 相对于不可降解的钛和不锈钢等惰性生物金属,镁与人体骨骼具有最佳的生物力学相容性(因为其密度相近)。此外,镁可以被人体吸收并以镁
2.2.3 镁基金属 相对于不可降解的钛和不锈钢等惰性生物金属,镁与人体骨骼具有最佳的生物力学相容性(因为其密度相近)。此外,镁可以被人体吸收并以镁离子的形式释放,增强成骨细胞的增殖和分化,从而促进骨骼的生长和愈合[33]。除了诸如骨螺钉和骨板之类的医疗设备之外,镁合金还可以制成可降解的心血管支架[34]。JAUER等[35]通过选择性激光熔化成功地制造了具有互连孔隙度的WE43(Mg-RE合金)支架状结构。此后,LI等[36]报道了由选择性激光熔化制造的排序且多孔联通的可生物降解WE43支架,其在4周后仅降解约20%的体积,并且仍保持了小梁骨支撑所需的机械性能。这些经选择性激光熔化处理的WE43支架有望满足理想骨替代品的所有功能要求。
经体内研究发现镁基材料在体内环境中会发生局部点状腐蚀且生物降解率快,并在生物降解过程中释放氢气等均不利于植入物在体内应用。为了优化其理化性能,调节镁基降解速率,有学者将镁基与可降解高分子材料结合应用。LI等[37]使用低温3D打印技术来制备用于骨骼修复的含镁可降解聚合物,将具有成骨活性和血管生成活性的镁均匀地掺入乙交酯-丙交酯共聚物/磷酸三钙可降解多孔支架中,这种含镁的可降解聚合物骨修复材料具有良好的生物相容性和生物活性,机械强度明显提高,使之与松质骨匹配,并显著改善了植入物的再生和血管生成。
2.2.4 铁基金属材料 铁(Fe)是人体必需的微量元素之一,并参与各种生理反应,目前铁因其优异的机械性能和可降解性而被认为是制造可降解植入物的首选[38]。初步的体内实验结果表明,植入猪主动脉的纯铁支架不会引起局部或全身毒性反应[39],这是因为降解后释放的铁离子可以被人体吸收代谢而不会积累。但是纯铁在体内的降解率慢[40],且铁磁性会影响一些成像检测系统(MRI等)的检测,从而一定程度上限制了铁基材料在临床上的应用[41],因此增材制造旨在实现铁基材料更快的生物降解速度,改变铁磁特性并增强其生物相容性。CHOU等[42]在纯铁的基础上添加一定含量的锰(Mn)元素,利用3D打印制备Fe-30Mn可生物降解支架,经过烧结形成具有马氏体ε和奥氏体γ相的混合相合金,结果显示它的腐蚀速率比纯铁快,且拉伸机械性能与天然骨骼相似,从而减少折裂风险;除此之外,Fe-30Mn支架还显示出优异的细胞相容性。即使在体外将纯铁合金化可以加速其生物降解,但体内尚未观察到这种改善,还需要一定的临床试验以佐证这一结论。LI等[43]首先报道了使用直接金属印刷制备拓扑有序的多孔铁支架,并研究了直接金属印刷工艺对支架表面积和晶粒尺寸的影响,结果表明,即使降解4周多孔支架的力学性能仍在小梁骨的容许范围内,降解速率比冷轧铁快12倍,质量损失仅为3.1%。
除了铁基合金以外,还有许多针对铁和氧化铁颗粒的研究。ZHANG等[44]使用3D-Bioplotter打印机制备包含磁性四氧化三铁纳米颗粒和生物活性玻璃/聚己内酯的复合支架,使支架的孔隙率均匀分布在60%,直径为400 μm,抗压强度为13-16 MPa,并将阿霉素类抗癌药装载到该支架中以促进成骨细胞成骨,同时实现持续的药物递送。实验结果显示,由铁基合金制成的3D打印可生物降解多孔支架能够促进骨再生而无任何并发症,有望成为骨科植入物的良好候选者。
2.2.5 锌基金属材料 锌是人体中必不可少的微量元素之一,它直接参与体内的酶合成、核酸代谢、基因表达、信号转导、细胞凋亡调节、生长促进和组织再生,具有抗菌活性[45]。近年来,因为锌的降解率介于铁和镁之间,已逐渐取代铁和镁合金,使锌及其合金有望成为可降解心血管支架和牙科植入物的理想材料[46]。尽管通过3D打印技术可以制备出具有患者特定要求的可生物降解锌植入物,但锌的低熔点、低沸点和易于氧化的特性通常会导致制造零件高孔隙率,影响其机械性能。DEMIR等[47]首先研究了使用选择性激光融化制造可降解生物的纯锌植入物,并提出了制造过程的参数,结果显示3D打印的纯锌零件显微硬度比传统制备的略高,通过调整选择性激光融化锌部件的密度、微观结构和几何形状可改变产品的机械性能和降解。其后,WEN等[48]通过选择性激光融化制备出直径为2-5 mm、支杆直径为200-500 μm的纯锌心血管支架,证明了选择性激光融化技术具有制备复杂结构的能力。目前的研究结果表明,选择性激光融化将取代传统的固体纯锌零件加工方法和按地形顺序排列的纯锌心血管支架,这在生物医学领域具有令人鼓舞的前景。
文章来源:《中国口腔颌面外科杂志》 网址: http://www.zgkqhmwkzz.cn/qikandaodu/2021/0422/420.html
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