南京航空航天大學(xué)和多家合作機(jī)構(gòu)的研究人員正在推進(jìn)使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)用于生物降解醫(yī)療植入物的鋅基生物材料。由于需要能在體內(nèi)自然降解的臨時(shí)植入物，從而消除與長期金屬保留相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，該團(tuán)隊(duì)研究了選擇性激光熔融（SLM）和粘合劑噴射方法，將鋅和氧化鋅粉末加工成患者特異性支架，用于骨組織再生。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《生物材料學(xué)報(bào)》（Acta Biomaterialia）上，證明了制造具有定制降解率和機(jī)械性能的多孔鋅結(jié)構(gòu)的可行性。

這項(xiàng)研究解決了通過增材制造鋅結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵難題，包括金屬的低沸點(diǎn)、高反射率和易氧化性。盡管鋅作為一種可生物降解的生物活性材料很有吸引力，但這些特性一直使激光加工變得復(fù)雜，從而限制了鋅在承重生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的使用。

鋅作為新一代可生物降解金屬

鋅的腐蝕速度比鎂慢，但比鐵快很多，因此在臨床相關(guān)的時(shí)間范圍內(nèi)，鋅是理想的生物降解材料。鋅還具有固有的抗菌特性，并在成骨過程中發(fā)揮作用。然而，傳統(tǒng)的制造工藝難以生產(chǎn)出適合骨質(zhì)內(nèi)生長的復(fù)雜多孔鋅支架。

增材制造技術(shù)能夠制造出患者特異的、基于晶格的植入體，并能對孔隙幾何形狀、支柱厚度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)控制。在這項(xiàng)研究中，SLM被用來將鋅粉加工成多孔結(jié)構(gòu)，而噴墨打印氧化鋅后的后處理步驟包括燒結(jié)和還原成金屬鋅。這兩種方法都顯示出克服傳統(tǒng)制造的設(shè)計(jì)限制的潛力，對整形外科和顱面植入物的設(shè)計(jì)具有重要意義。

優(yōu)化鋅加工的參數(shù)

SLM加工需要進(jìn)行微調(diào)，以緩解蒸發(fā)和減少鍵孔形成造成的孔隙。作者認(rèn)為，將鋅與鎂、鈣或銀等元素進(jìn)行合金化可改善打印性能、機(jī)械性能和降解行為。通過優(yōu)化參數(shù)，研究小組獲得了抗壓強(qiáng)度在松質(zhì)骨范圍內(nèi)的支架，以及可促進(jìn)血管生成和細(xì)胞遷移的相互連接的孔。

基于噴墨的自動(dòng)成型技術(shù)提供了另一種途徑，尤其適用于生產(chǎn)具有更精細(xì)特征分辨率的低密度結(jié)構(gòu)。不過，它也帶來了與收縮和燒結(jié)引起的缺陷有關(guān)的挑戰(zhàn)。盡管存在這些問題，這兩種增材制造方法都能制造出細(xì)胞相容性支架，支持體外細(xì)胞附著和增殖，達(dá)到了生物相容性的初步基準(zhǔn)。

實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化和定制植入物

論文將鋅設(shè)備定位為臨時(shí)骨固定、負(fù)載分擔(dān)支架和生物降解支架的候選材料。與永久性金屬植入物不同，這些裝置會(huì)在體內(nèi)逐漸降解，從而降低長期并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，并消除手術(shù)切除的需要。快速成型制造的數(shù)字化設(shè)計(jì)靈活性進(jìn)一步支持了患者特定解剖數(shù)據(jù)的整合，有可能縮短恢復(fù)時(shí)間并改善治療效果。

展望未來，作者強(qiáng)調(diào)需要進(jìn)一步進(jìn)行體內(nèi)測試和合金開發(fā)，以調(diào)整降解率和生物功能。混合增材制造戰(zhàn)略，如將噴墨打印犧牲模板與SLM疊加相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)功能分級材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)。

生物可降解植入物方面的進(jìn)展

最近，用于生物可降解醫(yī)療植入物的鋅基生物材料的三維打印技術(shù)取得了進(jìn)展，這凸顯了人們對利用增材制造技術(shù)制造患者專用的生物可吸收金屬植入物的興趣與日俱增。這一趨勢是生物可吸收金屬增材制造領(lǐng)域更廣泛研究的一部分，研究人員正在探索鎂、鐵和鋅等材料，以開發(fā)可在體內(nèi)安全降解的植入體。

代爾夫特理工大學(xué)（Delft University of Technology）的工程師們利用基于擠壓的三維打印技術(shù)制造出了由多孔鐵制成的可生物降解骨植入物，這就是一個(gè)相關(guān)的例子。與鋅類似，多孔鐵也是可生物降解的，具有作為臨時(shí)骨替代物的潛力，這種替代物會(huì)隨著新骨的再生而降解，從而降低與永久性金屬植入物相關(guān)的長期炎癥風(fēng)險(xiǎn)。代爾夫特團(tuán)隊(duì)專門開發(fā)了一種基于擠壓的裝置，以克服與塊狀鐵的低生物降解率有關(guān)的挑戰(zhàn)，從而獲得了生物可降解性更強(qiáng)且機(jī)械性能適合骨愈合的多孔結(jié)構(gòu)。

亞琛工業(yè)大學(xué)開展的研究是另一項(xiàng)值得關(guān)注的進(jìn)展，該校科學(xué)家一直在利用激光粉末床熔融（PBF-LB）技術(shù)研究鋅鎂（ZnMg）合金制成的晶格結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)旨在方便患者使用并促進(jìn)骨愈合，鋅鎂合金可在機(jī)械強(qiáng)度和生物降解性之間取得平衡。研究人員的目標(biāo)是在開發(fā)仿骨結(jié)構(gòu)的同時(shí)，使其在體內(nèi)逐漸降解，從而無需進(jìn)行二次手術(shù)來移除植入物。

隨著增材制造技術(shù)的不斷成熟，鋅基生物可吸收裝置可能會(huì)成為材料科學(xué)、數(shù)字制造和個(gè)性化醫(yī)療之間的重要紐帶。