代爾夫特理工大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用基于擠壓的3D打印來制造由多孔鐵制成的臨時(shí)性骨植入物。就像鎂或鋅一樣，多孔鐵是可生物降解的，這意味著它具有巨大的潛力，可以作為臨時(shí)的骨替代物，隨著新的骨骼再生長而降解。通過重新吸收到體內(nèi)，臨時(shí)植入物可減輕長期發(fā)炎的風(fēng)險(xiǎn)，長期發(fā)炎通常與金屬（如鈦）制成的永久性骨植入物有關(guān)。

該研究的主要作者Amir A. Zadpoor指出：“與用于骨植入物的其他可生物降解金屬或聚合物相比，鐵具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，從而可以設(shè)計(jì)和制造用于治療關(guān)鍵性骨的多孔結(jié)構(gòu)。

多孔鐵支架的SEM成像。圖片來自TU Delft 。

不太可能的技術(shù)選擇

乍一看，這似乎對(duì)使用鐵進(jìn)行3D打印可生物吸收的骨植入物非常有意義。這種金屬被人體用來輸送氧氣，它加速某些酶反應(yīng)，在免疫反應(yīng)中起主要作用，并且是骨骼再生的關(guān)鍵成分。當(dāng)查看鐵的最常見形式即散裝（致密）鐵時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)此問題。與多孔鐵不同，散裝鐵由于其相對(duì)較小的表面積而具有非常低的生物降解率。不幸的是，先前用粉末床融合等技術(shù)3D打印多孔骨支架的嘗試已受到限制，主要涉及可及性，成本或孔隙率控制。盡管基于擠出的3D打印可以克服其中的一些障礙，但它通常是不適合最終用途醫(yī)療產(chǎn)品的低質(zhì)量零件的代名詞。

因此，代爾夫特團(tuán)隊(duì)選擇嘗試他們自己專用的基于擠壓的設(shè)置。 Zadpoor補(bǔ)充說：“我們希望驗(yàn)證采用基于擠壓的3D打印來制造多孔鐵的可行性，并探索解決散裝鐵的基本問題的潛力，散裝鐵具有非常低的生物降解率，同時(shí)還能保持其他重要特性（例如結(jié)構(gòu)完整性）和骨骼愈合期間的機(jī)械性能。” 

 3D打印，燒結(jié)和測(cè)試多孔鐵骨植入物。圖片來自TU Delft。

該小組的方法涉及將聚合物溶劑與鐵微粒混合，制成復(fù)合油墨。一旦支架結(jié)構(gòu)被印刷，就將它們加熱以燃燒掉聚合物，從而留下鐵。然后將剩余的鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)一步熱處理以將其燒結(jié)成多孔固體。Zadpoor和他的同事將他們印刷的多孔支架浸入經(jīng)過特殊配制的模擬體液中，并確定了此植入物有很高的生物降解率，鐵每28天損失7％的質(zhì)量。研究小組還發(fā)現(xiàn)腐蝕發(fā)生在植入物周圍甚至內(nèi)部，但是它們的機(jī)械性能仍然與人體骨骼保持一致。

Zadpoor說：“我們已經(jīng)證實(shí)，基于擠壓的3D打印技術(shù)可以提供具有增強(qiáng)的生物降解性和仿骨機(jī)械性能的多孔鐵支架，從而有可能用作骨替代物。”研究的下一階段涉及測(cè)試基于擠出的3D打印在其他更高級(jí)的與植入物相關(guān)的功能方面的潛力。這涉及注入納米生物陶瓷以促進(jìn)骨骼生長，甚至注入抗菌劑以減輕手術(shù)后感染的風(fēng)險(xiǎn)。 

體液浸沒前后的3D打印骨植入物。圖片來自TU Delft。

盡管鈦在很大程度上被認(rèn)為是植入骨的首選金屬，但增材制造研究人員正在不斷證明其他材料對(duì)于該應(yīng)用的適用性。去年下半年，斯科爾科沃科技學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)了一種新穎的3D打印個(gè)性化陶瓷制成的骨植入物的方法。與Delft植入物非常相似，Skolkovo植入物具有大孔，使它們能夠更好地與有機(jī)組織融合。

在其他地方，研究人員先前已經(jīng)開發(fā)出了基于納米粘土的3D生物打印支架，用于輔助骨骼再生。向置換骨的支架中注入人骨髓基質(zhì)細(xì)胞和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞，進(jìn)一步促進(jìn)了骨的生長。

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