孔隙率對(duì)增材制造多孔鉭支架成骨、骨長入和骨整合的影響

供稿人：王義凱、高琳
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)

多孔鉭植入物是臨床實(shí)踐中常用于修復(fù)骨缺損的一類材料。為了提高植入物在醫(yī)療應(yīng)用中的可靠性并更好地進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化，迫切需要系統(tǒng)地研究孔隙率對(duì)SLM制備的仿小梁骨鉭支架的骨形成，骨向內(nèi)生長和骨整合的影響。

近來，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì)采用激光粉末床熔融技術(shù)制備了一系列不同孔隙率的仿小梁骨鉭支架并進(jìn)行表征，體外檢驗(yàn)和比較大鼠間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)支架的粘附、增殖和成骨分化能力的影響，初步得出SLM制備的仿小梁骨鉭支架的最佳孔隙率范圍為70%-80%。

在研究過程中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了三種（如圖1）具有不同仿生小梁孔隙率的多孔鉭支架60%、70%和80%（分別表示為 Ta T60、Ta T70和Ta T80），并制備了多孔鉭盤（直徑10 mm×高3mm）用于體外研究和多孔鉭圓柱體（直徑3mm×高5mm）用于體內(nèi)研究。其分別通過ALP 染色和ARS染色對(duì)ALP和鈣沉積進(jìn)行定性和定量分析，圖2A反映了第7天和第14天時(shí)各組材料的ALP檢測結(jié)果，結(jié)果表明，第7天時(shí)，Ta T60組的ALP量略高于Ta T70和Ta T80組，并且其量與第7天相比，第14天時(shí)所有三組的ALP量顯著更高，組間無顯著差異。ALP量化表明，在7天和14天時(shí)，Ta T70和Ta T80組中的ALP/總蛋白比率高于Ta T60。ARS染色的定性和半定量分析顯示，在第14天和第21天，所有材料的表面都形成了大量紅色鈣結(jié)節(jié)，彼此之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。

圖1 不同孔隙率的多孔鉭支架的三維模型（a）和總體外觀（b）

圖2 rBMSCs在每個(gè)多孔鉭支架中的體外成骨作用：（A）和（C）7天和14天時(shí)ALP染色的外觀，（B）和（D）培養(yǎng)7天和14天時(shí)ALP活動(dòng)的定量評(píng)估

該研究結(jié)果說明，孔隙率在70%-80%范圍內(nèi)的多孔鉭支架具有良好的成骨、骨傳導(dǎo)性、骨整合、生物安全性和力學(xué)性能，是一種非常有前途的骨科和牙科3D打印植入物，這為今后多孔鉭植入物的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論參考。

參考文獻(xiàn)：
Jiao Juyang, Hong Qimin, Zhang Dachen, Wang Minqi, Tang Haozheng, Yang Jingzhou, Qu Xinhua, Yue Bing. Influence of porosity on osteogenesis, bone growth and osteointegration in trabecular tantalum scaffolds fabricated by additive manufacturing[J]. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2023.