馬來西亞大學教授發(fā)表論文：金屬打印不同微觀形貌對細胞生長成活率的影響

來源： 先臨三維

馬來西亞大學教授Lijun Shan（第1作者）與杭州電子科技大學副教授龔友平（第2作者），2019年在《materials》期刊上發(fā)表《In Situ Controlled Surface Microstructure of 3D Printed Ti Alloy to Promote Its Osteointegration》（原位控制3D打印鈦合金植入體表面微觀結構促進其骨整合）的研究論文，從機械設計和打印參數(shù)調(diào)整的角度，給金屬3D打印植入體的醫(yī)學研究提供了一種新的視角和參考。

（金屬3D打印鈦合金植入體）

金屬3D打印技術是制作個性化植入物的經(jīng)濟而有效的方法之一，而鈦合金具有良好的力學性能，耐腐蝕性強，力學性能高，細胞相容性好。因此，鈦合金金屬3D打印已被廣泛應用于骨科手術和其他醫(yī)學應用。

（金屬3D打印鈦合金植入體）

全球的科研工作者關于3D打印鈦種植體的研究已經(jīng)很多，大部分的研究集中在種植體的力學性能上，而很少關注種植體的表面結構。然而，該論文的實驗研究表明，金屬植入物的微觀結構對生物相容性起著至關重要的作用。一方面，微結構有利于細胞的粘附和增殖，因此，它們可以顯著增強細胞的反應；另一方面，微結構能夠確定與宿主骨的機械連鎖程度，促進合成異物與宿主骨之間的復雜相互作用，這將進一步影響種植體的骨整合能力，并決定種植體的成敗。

接下來，讓我們詳細了解下Lijun Shan教授、龔友平教授是如何基于易加三維EP-M250金屬3D打印機完成他的研究并驗證實驗結果的。

（杭州電子科技大學實驗室中的易加三維EP-M250金屬3D打印機）

首先，根據(jù)金屬粉末床成型原理，通過控制與調(diào)整激光功率、掃描路徑、打印角度等設備參數(shù)，研究者制造出三種不同的鈦合金植入體表面微觀結構，分別被成為S（條形結構）、B（球狀結構）和BS（球狀-條形結構）。

（金屬粉末床成型原理與三種微觀表面結構的掃描電鏡圖像）

其次，三種植入體經(jīng)過水熱處理形成多孔納米結構，再用含10%胎牛血清的培養(yǎng)基溶液在37◦C下浸泡24h，研究其蛋白質的吸附作用。

然后采用小鼠胚胎成骨細胞（MC3T3-E1）進行細胞培養(yǎng)，觀察細胞活力、分化和細胞骨架形態(tài)，得出實驗數(shù)據(jù)，從而驗證鈦合金植入體表面微觀結構的改變對骨整合的影響的差異性。

該論文的研究數(shù)據(jù)表明
1在蛋白質吸附作用方面，B樣本和BS樣本要優(yōu)于S樣本。

2經(jīng)過1天和5天的細胞培養(yǎng)之后觀察，B樣本和BS樣本也優(yōu)于S樣本。數(shù)據(jù)證實：球形微結構能夠激發(fā)細胞活力。

3細胞分布的觀察則發(fā)現(xiàn)，細胞能夠很好地分布在S樣本上（下圖a），卻很難爬行到B樣本的微球上而僅僅附著在微球的周圍（下圖b）；在BS樣本上，因為綜合了S樣本的表面形態(tài)，因此，細胞分布好于B樣本（（下圖C））。實驗證明：植入體表面微觀結構的差異，的確會影響細胞的生長。

4細胞培養(yǎng)到第7天和第14天，細胞分化的觀察數(shù)據(jù)表明：BS樣本上的細胞具有較好的成骨分化能力。

綜合所有實驗數(shù)據(jù)，研究者最終得出結論：

細胞成骨分化是種植體的關鍵特性，因為它與骨整合能力密切相關。細胞不太容易爬到較大的結構上，而粗糙的多孔微觀結構可以為細胞提供更多的粘附位點，從而為細胞生長創(chuàng)造更有利的環(huán)境。

植入體的微觀表面形貌可以改變細胞的增殖、活力和分化，并進一步影響種植體與骨組織之間的整合。而要促進種植體的生物學功能，相比應用仿生涂層、羥基磷灰石(HAP)聚合、酸蝕、噴砂、熱處理、化學處理、Mg離子注入等昂貴、耗時的表面改性方式，通過改變金屬3D打印機的打印參數(shù)，如激光功率、打印路徑和輪廓打印等，也可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)植入體表面微觀結構的目的。

這種原位調(diào)節(jié)3D打印種植體的表面微觀結構實現(xiàn)定制化的種植體制造的方式和研究結果，將為高成骨和生物反應性的3D打印種植體的原位表面設計和加工提供理論指導和技術支持。

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