可負(fù)載抗生素的3D打印復(fù)合支架

供稿人:楊帆、高琳
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

開放性骨折及植入手術(shù)后的骨感染一直以來都是骨科領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。為克服術(shù)后感染引發(fā)的骨髓炎，需根據(jù)感染的嚴(yán)重程度，對患者施用抗生素。通常，醫(yī)學(xué)上采取全身施用高濃度抗生素的策略，以在感染部位達(dá)到有效濃度，但這可能導(dǎo)致耐藥菌株的產(chǎn)生，并在骨再生過程中造成一定的副作用。為了避免高劑量的全身給藥，同時(shí)加快骨愈合，可選擇由生物可降解聚合物制成的3D組織工程支架，通過優(yōu)化局部抗生素的釋放，最大化目標(biāo)組織濃度并最小化毒性風(fēng)險(xiǎn)。

荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的制造方法，通過高溫熔融擠出直接制造載藥支架，具體過程如圖1 所示。該復(fù)合支架由生物相容性和可生物降解的共聚物聚對苯二甲酸乙二酯/聚對苯二甲酸丁二酯（PEOT/PBT）和鎂鋁層雙氫氧化物（MgAl）或α-磷酸鋯(ZrP)組成，在層狀結(jié)構(gòu)中分別嵌入了抗生素環(huán)丙沙星(CFX)和慶大霉素(GTM)。這兩種抗生素常用于治療骨科感染，通過熔融復(fù)合分散在熱塑性聚合物中，隨后通過高溫熔融擠出加工成3D支架。

圖1 采用熔融擠壓法制備抗菌復(fù)合支架(PEOT/ PBT—填料—抗生素)的示意圖

無機(jī)填料能夠通過聚合物基質(zhì)持續(xù)釋放抗生素，與無填料體系相比，釋放時(shí)間更持久其釋放速率受到填料種類、離子濃度及酸堿度等條件的限制，如圖2所示。重要的是，經(jīng)過高溫制造過程后，這兩種抗生素對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細(xì)菌菌株具有與未加工抗生素相同的抗菌水平，活性得到證實(shí)。此外，支架中加入填充劑和抗生素既不會影響骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的活性，也不會阻止其成骨分化，允許基質(zhì)礦化和相關(guān)成骨標(biāo)記物的表達(dá)。

圖2 不同條件下MgAl -CFX和ZrP-GTM共聚物復(fù)合材料的抗生素釋放曲線

以上結(jié)果均表明可以通過在高溫下制備的支架中直接加入抗生素來制備雙功能支架，并且有可能在促進(jìn)骨再生的同時(shí)改善感染管理。這一方法為今后使用其他相關(guān)抗生素和可生物降解的熱塑性聚合物的研究打開了大門，從而進(jìn)一步優(yōu)化該系統(tǒng)，使之走向臨床應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
María Cámara-Torres, Stacy Duarte, Ravi Sinha et al. 3D additive manufactured composite scaffolds with antibiotic-loaded lamellar fillers for bone infection prevention and tissue regeneration. Bioactive Materials. 2021,6(4):1073-1082.