应用三维打印成型技术制备个体化多孔纯钛植入体的研究

三维打印(3DP)成型技术适合成型形状复杂、结构精细的个体化多孔医用生物植入材料,能满足不同患者的不同需求。本文应用3DP成型技术制备直径为25mm×20mm的多孔纯钛植入体生柸,于500℃真空脱粘后,在氩气保护下烧结至1 300℃,利用扫描电镜(SEM)观察其孔径大小介于50～150μm,其孔隙率、体积密度、维氏硬度、抗压强度及弹性模量测试结果分别为(44.26±2.43)%、(2.59±0.81)g/cm3、134.2～151.6、(61.2±3.2)MPa、(3.25±1.08)GPa。结果表明,3DP成型技术在制备个体化多孔纯钛植入体方面有着广阔的应用前景。     

基于3D打印多孔支架和植入体的结构设计研究进展

支架或植入体的弹性模量过高会产生应力遮挡效应,引发骨吸收以及后期支架或植入体松动等问题。多孔支架和植入体可以根据需要调整其孔隙率和弹性模量,从而减小应力遮挡,同时多孔结构有利于骨组织的长入,利于骨整合。分别介绍3D打印多孔支架和植入体3种基本结构(均匀多孔结构、类骨小梁结构和功能梯度结构)的设计方法,以及基于计算机辅助设计、隐式曲面、图像、拓扑优化的设计方法,为解决应力遮挡问题和设计3D打印多孔支架和植入体提供参考建议。     

新型三维连通多孔钛的制备及特性*

目的将具有良好生物相容性的钛制成类似松质骨结构,具有较高的强度和良好的生物性能的多孔材料。方法聚氨酯泡沫海棉做成孔径200～600μ,孔隙率50%～70%的三维连通多孔结构,作为钛粉载体。烧结,制成具有三维连通结构的多孔钛,测定生物力学性能。结果制成的多孔钛,具有三维、连通结构,与人股骨头松质骨结构相似。孔径300～600μ,孔隙率50%～60%。三维连通多孔钛的平均弹性模量为0．6～0．7GPa。结论①本实验三维连通多孔钛,达到了理想的孔径和孔隙率,弹性模量适中,可以广泛应用在骨科各个领域。②三维连通多孔钛还存在着连通孔的闭塞率较高,整体强度不均匀问题。     

一种可用于人骨植入物的多孔钛研究

采用添加新型造孔剂的粉末冶金法,成功制备出力学性能与人骨匹配的多孔钛.多孔钛具有由均匀分布的连通宏观孔隙和孔壁上微米孔隙组成的三维孔隙结构,孔隙度为5～65 vo1.%,开孔隙率为60～99.7%,平均孔径为10～470 m,杨氏模量为0.5～37 GPa,抗压强度为0.04～2.2 GPa.     

3D打印多孔钛支架微观孔隙结构和力学性能

目的研究3D打印技术制造的钻石分子结构多孔钛支架的微观孔隙结构和力学性能,指导3D打印多孔钛骨科植入物的开发。方法采用选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)和电子束熔化(electron beam melting,EBM)两种金属3D打印制造工艺,制造钻石分子结构多孔Ti6Al4V支架。使用光学显微镜和扫描电镜观察其微观孔隙结构,并使用万能材料试验机对这些支架进行压缩测试。结果两种3D打印制造工艺都会存在加工误差,并且在表面存在半熔融金属颗粒。SLM工艺相对误差为20.9%~35.8%。EBM工艺相对误差为-9.1%~46.8%,且制造不出杆件宽度为0.2 mm的支架。SLM工艺制造的支架抗压强度为99.7~192.6 MPa,弹性模量为2.43~4.23 GPa。EBM工艺制造的支架抗压强度为39.5~96.9 MPa,弹性模量为1.44~2.83 GPa。结论 SLM工艺比EBM工艺制造精度高。支架的孔隙率是影响其抗压强度和弹性模量的主要因素,相同工艺的情况下,孔隙率越大,抗压强度越小,弹性模量也越小;相近孔隙率的情况下,SLM工艺比EBM工艺强度高,弹性模量也高。     

新型3D打印多孔钛人工椎体在猪脊柱模型置换前后的生物力学测试研究

目的通过对新型3D打印多孔钛人工椎体在猪脊柱模型置换前后的生物力学测试比较研究,评价该新型3D打印人工椎体的活动范围情况和即刻的生物力学稳定性。方法选取18具新鲜相近的猪脊柱标本(L1-L6),根据L3椎体置换前后,分为置换前组和置换后组。分别测试前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转的位移角度变化。结果在0~8N.m逐级加载中,置换后组运动节段在前屈、后伸、左右侧屈各向量的位移角度变化明显小于置换前组,差异有统计学意义(0.05),而在轴位旋转位上,两者无显著性差异(0.05)。结论新型3D打印人工椎体的设计具有合理性和创新性,在猪脊柱模型L3椎体置换后,即刻可获得良好的生物力学稳定性。     

三维打印制备钛/羟基磷灰石复合体及功能梯度材料CSCD

背景:传统压模成形法制备的钛/羟基磷灰石复合材料结构简单,自动化程度较低,难以控制材料的孔隙率及孔径,不能满足多样化需求。目的:评价三维打印成型技术制备钛/羟基磷灰石复合体及功能梯度材料的可行性。方法:设计钛/羟基磷灰石复合体为直径25mm、高度15mm的圆柱体,功能梯度材料为直径25mm,上层5mm的钛粉末层,下层5mm钛/羟基磷灰石粉末层的圆柱体CAD模型。利用三维打印技术制备钛/羟基磷灰石复合体及功能梯度材料并进行烧结。观察烧结完成后钛/羟基磷灰石复合体和钛/羟基磷灰石功能梯度材料的显微结构,并行X射线衍射分析和抗压强度检测。结果与结论:烧结后的钛/羟基磷灰石复合体及功能梯度材料试件均匀无收缩和变形。钛/羟基磷灰石复合体形成紧密结晶体,孔径为50-150μm。钛和羟基磷灰石在烧结中发生了化学反应,生成物包含Ca3(PO4)2、CaTiO3、TiO2和CaO,其抗压强度为(184.3±27.1)MPa。烧结后钛/羟基磷灰石功能梯度材料在微观结构下可见不同材料间较为清晰的分界线,具有梯度结构。表明三维打印技术制备钛/羟基磷灰石复合体及功能梯度材料的微观结构和力学性能可满足医用生物植入材料的要求。     

个性化钛植入体修复大面积颅骨缺损的临床疗效分析

目的探索个性化钛植入体修复大面积颅骨缺损的临床疗效。方法利用三维重建和快速自动成型技术,将医用钛合金预制成个性化钛板植入体,对4例大面积颅骨缺损进行修复。结果4例颅骨缺损修复,最大的钛植入体为15cm×13cm,最小的为10cm×8cm,修复后切口愈合良好,术后随访半年至2年,钛合金固定牢靠无排异反应发生,无自觉异物感,符合颅骨缺损部位的生理曲度,对称性好,头部畸形明显改善。结论颅骨缺损的个性化修复标志着颅骨植入体塑形技术已从手工时代进入了数字化设计,具有操作简单、并发症少以及修复精确、良好的生物力学等优点,具有广泛的应用前景。     

锌离子改善骨质疏松状态下钛植入体的稳定性

背景：有研究表明,锌可通过调节成骨细胞活性起到改善骨质疏松状态下骨对钛植入体反应的作用。 目的：观察锌离子对改善骨质疏松状态下钛植入体稳定性的作用。 方法：摘除28只雌性SD大鼠卵巢,饲养12周获得骨质疏松效果,后随机分为2组,实验组于双侧股骨干骺端植入含锌羟基磷灰石涂层的钛植入体,对照组于双侧股骨干骺端植入羟基磷灰石涂层钛植入体。两组分别随机选择3只大鼠进行双重荧光标记,于术后6周末计算矿物沉积率;术后12周末,两组分别随机选择4只大鼠进行植入体及其周围组织组织形态学分析;术后12周,对两组剩余大鼠行推出实验,计算最大推出力与最大剪切力。 结果与结论：荧光标记检测发现在术后3-5周,两组中植入体周围均有活跃的骨生成,实验组矿物质沉降率显著高于对照组(P < 0.05)。两组中均可见新骨形成,但实验组新骨形成量、骨面积比率、骨-植入体接触率、最大推出力及最大剪切力均优于对照组(P < 0.05或P < 0.01)。表明锌离子在去势大鼠骨植入体中具有促进骨生成和改善植入体稳定性的作用。     

基于三维打印的磷酸三钙骨组织工程支架烧结工艺研究

磷酸三钙(TCP)是构建骨组织工程支架常用的生物陶瓷材料。三维(3D)打印的TCP支架具有精确可控的孔隙结构,但存在力学性能不足的问题。由于烧结工艺对生物陶瓷支架力学性能的影响至关重要,本文详细探讨了不同烧结温度对3D打印TCP支架的力学性能的影响,测试了不同烧结温度制备的支架的表观形貌、质量和体积收缩率、孔隙率、力学性能以及降解性能。结果表明,当烧结温度为1150℃时,晶粒生长充分、气孔最少,支架具有最大的体积收缩率、最小的孔隙率以及最优的力学性能,压缩模量和抗压强度可以分别达到(100.08±18.6)MPa和(6.52±0.84)MPa,能够满足人体松质骨力学强度的要求。此外,与其他烧结温度下制备的支架相比,1150℃下烧结制备的支架在酸性环境中降解最慢,进一步说明其在长期植入时具有更佳的力学稳定性。该支架可支持骨髓间充质干细胞(BMSCs)黏附和快速增殖,具有良好的生物相容性。综上,本文优化了3D打印TCP支架的烧结工艺,提高了其力学性能,为其作为承重骨的应用奠定了基础。     

基于三维打印技术的多药控释型载药人工骨生物学评价

目的 评价三维打印技术制备的多药控释型载药人工骨的生物相容性.方法 利用三维打印技术制备多药控释型载药人工骨,并进行急性毒性试验、热源试验、皮肤刺激试验、溶血试验、微核试验和肌肉埋植试验等检测评价其生物相容性.结果 该多药控释型载药人工骨无全身急性毒性反应、无热源效应;皮肤刺激实验局部皮肤未见红斑、水肿反应;溶血率为0.29%,有良好的血液相容性;微核实验未见致突变现象.无细胞遗传毒性作用;肌肉埋植实验未见局部组织变性、坏死或排斥现象.结论 三维打印技术制备的多药控释型载药人工骨具有良好的生物相容性,符合医用生物材料的性能要求.Abstract：Objective To evaluate the biocompatibility of porous drug implant scaffolds prepared by 3D printing technique. Methods Porous drug implant scaffolds were fabricated by 3D printing technique, and a series of tests were carried out to validate the biocompatibility, including acute systemic toxicity, hot source test, local irritation reaction, micronucleus test, muscle implant test and so on. Results The porous drug implant scaffolds showed no acute systemic toxicity, no pyrogenetic effect, no local erythema and edema in local irritation re-action, hemolysis rate of 0.29%, no cellular genetoxic. No local tissue denaturation, necrosis and exclusion were found in intramuscular implant test. Conclusion With good biocompatibility, the porous drug implant scaffold fabricated by 3D printing technique can meet the clinical requirement for biomaterial.     

基于选区激光熔融技术制备的多孔钛合金支架的力学性能及成骨能力评价

目的评价选区激光熔融(selective laser melting,SLM)技术制备的多孔钛合金支架的力学性能及成骨能力。方法通过SLM技术制备两种多孔钛合金(Ti6-Al4-V)支架,分别为均一多孔组和复合多孔组,简称均一组与复合组,并对其力学性能、体外细胞相容性和体内骨整合能力进行评价。结果与传统锻件相比,多孔钛合金支架的弹性模量更接近人体正常骨组织,且复合组的弹性模量高于均一组,差异具有统计学意义(0.05)。细胞相容性方面,随着时间的推移,间充质干细胞数量在两组多孔支架上均有增加,但复合组钛合金支架在5 d和7 d的细胞数量高于均一组(0.05)。该组在成骨分化实验的7 d也具有更高的ALP活性(0.05)。诱导14 d后两组ALP活性无差异。体内植入实验表明,3个月时,复合组的骨体积分数与均一组比较差异无统计学意义(0.05)。结论本研究表明,基于SLM制备的多孔钛合金支架弹性模量适宜,具有骨整合能力,适合做骨缺损修复材料。     

微弧氧化表面改性3D打印多孔钛合金支撑棒治疗羊距骨骨坏死的研究

目的 探讨微弧氧化（MAO）表面改性3D打印多孔钛合金支撑棒对羊距骨坏死的治疗作用,为其进一步临床应用提供基础。方法 观察3D打印多孔钛合金支撑棒通过MAO表面改性后,其表面形态、元素变化及晶像情况。通过体外细胞实验,研究大鼠成骨细胞在材料表面的黏附、增殖及分化情况。建立羊距骨坏死模型基础,并置入3D打印多孔钛合金支撑棒,探究其在距骨内的稳定性及其成骨修复情况。结果 通过MAO改性,材料表面形成大小均一的多孔微米结构,Ca、P、O元素分布在材料表面,同时表面形成TiO₂晶像。在体外细胞实验中,MAO改性组和对照组均表现出良好的生物相容性,但是MAO改性组在细胞接种后8 h黏附能力优于对照组、接种1、4、7 d后细胞增殖能力均优于对照组,同时接种7 d时细胞分化能力也优于对照组,差异具有统计学意义（P＜0.05）。羊距骨植入实验表明,术后12周两组支撑棒都有骨长入,但是MAO改性组与对照组相比其周围有更多的新生骨长入。定量结果显示MAO组的骨体积分数、骨小梁厚度也优于对照组,差异具有统计学意义（P＜0.05）。结论 仿生的3D打印多孔结构为支撑棒提供了优良的力学性能,MAO表面改性进一步提高了其生物活性,使其在治疗羊距骨早期骨坏死过程中充分发挥了力学和生物学的优势。本临床前研究效果满意,并为其未来临床应用提供了理论和研究基础。     

3D打印ACT钛金骨小梁椎间融合器行颈椎前路减压融合后颈椎的矢状位平衡变化

文题释义：3D打印ACT钛金骨小梁椎间融合器：以钛合金为原料,通过电子束熔融快速成型技术进行三维精准构建建立互相连接的微孔而制成的多孔植入物,其类似骨小梁的多孔贯通的微孔结构,利于骨细胞的迁移和增殖,可提供良好的生物组织相容性和可靠的骨整合,同时类皮质骨的弹性模量,可以避免应力遮挡及骨吸收。 C_2⁃7 Cobb角：C₂,C₇下终板垂线之间的夹角。 C_2-7矢状面轴向距离：经过C₂椎体几何中心作铅垂线,该线与C₇椎体后上角的水平距离。 背景：颈前路椎间盘切除减压融合是目前临床上常用的手术入路,但对于其植入物的选择,临床上存在较大争议。3D打印钛金骨小梁材料具有优越的生物学特性,十分适合作为骨植入物材料。 目的：观察应用3D打印ACT钛金骨小梁椎间融合器行颈前路减压融合患者术后临床疗效及矢状位影像学参数的变化。 方法：回顾性分析行单节段颈前路椎间盘切除减压融合的颈椎病患者60例,根据融合器类型分组,对照组30例应用聚醚醚酮融合器,试验组30例应用3D打印ACT钛金骨小梁椎间融合器。记录手术时间、术中出血量以及术中C臂透视次数,临床评价指标记录日本骨科协会评分、疼痛目测类比评分及颈椎功能障碍指数;测量术前、术后3 d、术后3个月及末次随访时颈椎侧位X射线的矢状面参数,包括手术节段椎间隙高度、椎间隙角度、C_2-7 Cobb角、C_2-7矢状位轴向距离及T₁倾斜角;根据美国FDA和Kandziora标准判断椎间融合器的融合率;分析患者各时间点影像学参数间的相关性采用 Pearson相关性分析。结果与结论：①术后随访15-49个月;②试验组的手术时间、术中出血量及术中C臂透视次数均小于对照组,末次随访时2组日本骨科协会评分均较术前显著增加,疼痛目测类比评分及颈椎功能障碍指数评分显著减少(P < 0.05),2组之间差异无显著性意义;③2组手术节段椎间隙高度、椎间隙角度、C2-7 Cobb角及T1倾斜角在术后3 d、3个月及末次随访时较术前均有增加(P < 0.05);术后3个月及末次随访时,试验组手术节段椎间隙高度、C2-7 Cobb角、椎间隙角度及T1倾斜角均高于对照组(P < 0.05);④C2-7 Cobb角与椎间隙角度及T1倾斜角,椎间隙角度与T1倾斜角,T1倾斜角与C2-7矢状面轴向距离在各时间点均呈正相关(P < 0.01),而C2-7矢状面轴向距离与C2-7 Cobb角呈负相关(P < 0.01);⑤故应用3D打印ACT钛金骨小梁椎间融合器及聚醚醚酮融合器行颈前路椎间盘切除减压融合均可缓解临床症状,恢复手术节段椎间隙的高度、角度以及颈椎曲度,其中3D打印ACT钛金骨小梁椎间融合器可缩短手术时间,减少术中出血量及C臂透视次数,且对维持手术节段术后椎间隙高度、角度及颈椎生理性前凸更具优势。 ORCID: 0000-0003-3469-9836(杨旭) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

3D打印技术制备β-磷酸三钙仿生骨支架在兔股骨髁部骨缺损修复中的应用

目的 探讨采用3D打印技术制备的β-磷酸三钙(β-TCP)仿生骨支架的形态结构特点及其相关生物性能,并观察其修复新西兰兔股骨髁部骨缺损的效果。方法 选取5～6月龄新西兰大白兔20只,随机分为支架组和空白组,每组10只;两组大白兔按造模术后采集标本的时间不同又分为两个亚组,每组5只。两组大白兔均于左侧股骨用环钻钻取直径约5 mm、长约10 mm的圆柱形松质骨块,建立股骨髁骨缺损模型。空白组截取的10个松质骨标本,使用微计算机断层扫描技术进行扫描,获得骨缺损标本的结构影像学数据,通过3D生物打印系统设计出相应的仿生骨支架模型,再以β-TCP作为打印材料,打印出20枚仿生骨支架。取10枚β-TCP支架测量高度、直径,电子显微镜下观察β-TCP支架孔道形态结构特点,测量大孔的直径和孔隙率,使用电子力学测试机测定β-TCP支架的弹性模量与抗压强度。空白组10只大白兔造模后不植入任何材料。支架组10只大白兔在造模后,将制备的10枚β-TCP支架植入骨缺损处。分别于术后第6、12周使用耳缘静脉推注空气方法处死空白组和支架组的各亚组大白兔,于骨缺损部位或植骨部位上下离断、截取长约10 mm骨段,制备切片,HE染色,观察骨组织生长情况;采用Lane-Sandhu组织学评分标准对骨组织修复情况进行评价。结果 使用3D生物打印技术制备的20枚圆柱体β-TCP支架,与松质骨标本结构形态相似。支架高度(9.97±0.08)mm、直径(5.09±0.07)mm,松质骨标本高度(9.96±0.39)mm、直径(5.01±0.22)mm,支架与松质骨标本比较差异均无统计学意义(P值均＞0.05)。扫描电镜观察到支架表面及内部呈均匀多孔状,孔径相互连通,大小相仿,孔隙分布较均匀,在大孔侧壁布满了微孔,外形多为近似圆形;其中大孔直径为(223.02±18.20)μm,孔隙率为74.02%±1.38%。松质骨标本大孔直径(227.02±31.20)μm,孔隙率为76.02%±3.29%,支架与松质骨标本比较差异均无统计学意义(P值均＞0.05)。使用电子力学测试机测定支架的抗压强度为(2.93±0.65)MPa,弹性模量为95～190 MPa。骨组织切片HE染色:术后第6周,支架组植骨处可见较成熟的骨组织,骨小梁和骨髓组织增多,新生骨正在逐渐覆盖植骨材料,周围可见少量成骨细胞,出现少量新生骨并向材料内长入;空白组的骨缺损处周围有少量类骨组织形成,大量成纤维细胞和脂肪组织生长,未见明显成骨细胞及骨小梁结构。术后12周,支架组植骨处出现成熟的骨小梁和骨髓组织,有编织骨形成,新生骨量较多,部分材料已被吸收降解,材料存留较少;空白组的骨缺损处见少量骨组织从缺损边缘向内长入,大部分被成纤维细胞和脂肪组织填充。Lane-Sandhu组织学评分,术后6周、12周支架组分别为(5.2±0.3)、(8.1±1.2)分,空白组分别为(1.3±0.5)、(4.5±0.6)分,支架组评分均大于空白组,差异有统计学意义(t=7.341、12.672, P值均＜0.05)。结论 3D生物打印技术制备的β-TCP仿生骨支架,与松质骨标本的骨组织解剖结构形态相似,且具有良好的生物力学性能,可以提供个体化的仿生骨支架,修复新西兰兔股骨髁部骨缺损的效果良好。     

Biomechanical effects of titanium implants with full arch bridge rehabilitation on a synthetic model of the human jaw

A composite model of the mandible, constituted by an inner polymeric core and a glass fibre reinforced outer shell, has been developed and equipped with six ITI titanium implants and a full gold alloy arch bridge prosthesis. The effects of this oral rehabilitation on the biomechanics of the mandible are investigated through a simulation of the lateral component of the pterygoid muscles. These muscles are involved as the mouth is opened and closed, hence their activity is very frequent. An increase of the mandible stiffness due to the prosthesis is observed; moreover, the coupling of the relatively stiff rehabilitation devices with the natural tissue analogue leads to stress-shielding and stress-concentration in the incisal and molar regions, respectively. Although the amplitude of the force generated by pterygoid muscles is quite small, high strains over the incisal region are measured. A stress-shielding effect, of about 20%, is observed at the symphysis as the full arch bridge prosthesis is fixed on the implants. Therefore, the presence of the prosthesis leads to significant modification of the stress field experienced by the mandible, and this may be relevant in relation to the biomechanics of mandibular bone remodelling.     

Mechanical and biodegradable properties of porous titanium filled with poly-L-lactic acid by modified in situ polymerization technique

Porous titanium (pTi) can possess a low Young’s modulus equal to that of human bone, depending on its porosity. However, the mechanical strength of pTi deteriorates greatly with increasing porosity. On the other hand, certain medical polymers exhibit biofunctionalities, which are not possessed intrinsically by metallic materials. Therefore, a biodegradable medical polymer, poly-L-lactic acid (PLLA), was used to fill in the pTi pores using a modified in-situ polymerization technique. The mechanical and biodegradable properties of pTi filled with PLLA (pTi/PLLA) as fabricated by this technique and the effects of the PLLA filling were evaluated in this study.The pTi pores are almost completely filled with PLLA by the developed process (i.e., technique). The tensile strength and tensile Young’s modulus of pTi barely changes with the PLLA filling. However, the PLLA filling improves the compressive 0.2% proof stress of pTi having any porosity and increases the compressive Young’s modulus of pTi having relatively high porosity. This difference between the tensile and compressive properties of pTi/PLLA is considered to be caused by the differing resistances of PLLA in the pores to tensile and compressive deformations. The PLLA filled into the pTi pores degrades during immersion in Hanks’ solution at 310 K. The weight loss due to PLLA degradation increases with increasing immersion time. However, the rate of weight loss of pTi/PLLA during immersion decreases with increasing immersion time. Hydroxyapatite formation is observed on the surface of pTi/PLLA after immersion for ≥8 weeks. The decrease in the weight-loss rate may be caused by weight gain due to hydroxyapatite formation and/or the decrease in contact area with Hanks’ solution caused by its formation on the surface of pTi/PLLA.