3D打印的可生物降解镁支架

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2020年9月14日，据悉，荷兰代尔夫特理工大学的研究人员发现，3D打印的可生物降解镁支架，在骨缺损再生中可能会有很好的应用。

研究人员认为，所使用的溶剂浇铸3D打印（SC－3DP）方法，对于镁基多孔支架的制造具有 ＂前所未有的可能性＂。

本研究的参与者，代尔夫特生物力学系的Amir Zadpoor教授说：＂镁基材料一直被认为是一类新的有前景的生物材料，在骨科应用中，它可以在体内逐渐降解，同时，刺激骨再生，帮助骨缺损的愈合过程，因此，制造多孔镁植入物正引起越来越多的关注。＂

△镁支架的打印试验结果，图片来源于《Solvent－cast 3D printing of magnesium scaffolds》／Acta Biomaterialia

生物材料在骨科中的应用

最近，有些大学的研究团队开始使用3D打印技术制造镁基材料，选择性激光熔化（SLM）是常用的方法之一。然而，使用这种技术的成功率不高，因为镁具有高可燃性，而且最终生产的部件中会有不理想的成分变化，会带来操作安全方面的挑战。

当然，也有一些其他的尝试，比如使用粉末床喷墨3D打印和熔融堆积制造（FFF）技术，然后再进行脱脂烧结，以替代SLM技术。然而，利用这些技术来制造拓扑有序的多孔Mg支架还没有被报道。

Zadpoor表示：＂由于镁粉在高激光能量下的高可燃性，安全性是镁支架制造过程中遇到的首要挑战。＂

瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员，开发了一种基于增材制造的方法，利用3D打印的盐模板，制造出具有规则孔隙度的镁支架。虽然这项工作在公布时只是一个概念验证，但研究人员认为这些镁支架有可能创造出可生物吸收的骨植入物。

△苏黎世联邦理工学院研究人员3D打印的盐模板结构（中）

SC－3DP研究

代尔夫特理工大学研究人员，提出了一种基于室温挤出的增材制造方法，即SC－3DP，以制造拓扑有序的多孔镁支架，制造过程由三个步骤组成：

第一阶段：制备具有所需流变特性的镁粉负载油墨，流变特性是指材料在施加的应力下变形或流动的方式。

第二阶段：墨水与由聚合物或挥发性溶剂组成的粘结剂混合在一起，通过喷嘴挤出，并打印成0°／90°／0°层的支架。

第三阶段：去除油墨中的粘结剂，通过液相烧结策略进行脱胶和烧结。

△镁支架的制造步骤和设计结构示意图

对制备的油墨进行流变分析，镁粉负载量分别为54％、58％和62％，揭示了支架的粘弹性特性。粘弹性是指材料在发生变形时，同时表现出粘性和弹性的特性。

支架的热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、碳硫分析和扫描电子显微镜（SEM）也进行了分析，表明脱胶和烧结可能在一个步骤中完成。

最终支架具有较高的孔隙率，含有层次分明且相互连接的孔隙。研究人员首次证明SC－3DP技术可成功制造镁基多孔支架，并具有作为骨替代材料的潜力。

研究结果的意义

骨缺损的再生一直是现代医学的临床难题，通常需要骨移植材料。此前，科学家们已经使用生物惰性钛和PEKK等材料3D打印植入物。然而，这些金属往往需要第二次手术进行植入物取出。此外，现有的移植物和合成生物材料并不能满足所有的临床要求，需要开发新一代合适的骨替代品。

近年来，镁基生物降解金属被认为是这类骨科应用的希望，它们同时具备骨缺损再生所需的机械和生物特性。此外，增材制造技术为制造多孔镁支架提供了更大的设计、制造灵活性和效率。

特别是SC－3DP方法，与其他3D打印技术相比，在材料、技术和结构上具有很大的优势。包括：在常温条件下进行3D打印，墨水的组分易于调整，设备投资低，并有可能制造出具有层次孔隙和所需合金成分的复杂结构。
SC－3DP方法在钢、铁、钛基和镍基微桁架的增材制造中也是可行的。