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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。然而，該論文的實驗研究表明，金屬植入物的微觀結(jié)構(gòu)對生物相容性起著至關重要的作用。一方面，微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)，分別被成為S（條形結(jié)構(gòu)）、B（球狀結(jié)構(gòu)）和BS（球狀-條形結(jié)構(gòu)）。

（金屬粉末床成型原理與三種微觀表面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)上，而粗糙的多孔微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的目的。

這種原位調(diào)節(jié)3D打印種植體的表面微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)定制化的種植體制造的方式和研究結(jié)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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