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《Materials today》IF=26.416：3D打印鈦合金！顯著改善生物相容性

2021-02-09 13:26:23 作者：本網(wǎng)整理來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：華盛頓州立大學(xué)Amit Bandyopadhyay教授等人通過結(jié)合Ti中的鉭（Ta）元素，添加設(shè)計(jì)的微孔以及納米級(jí)表面修飾來增強(qiáng)Ti的生物相容性，進(jìn)而增強(qiáng)體外細(xì)胞相容性和體內(nèi)早期骨整合的能力。相關(guān)研究成果以3D Printing in alloy design to improve biocompatibility in metallic implants為題發(fā)表在《Materials Today》上。

3D打?。?DP）或增材制造（AM）可以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜形狀、設(shè)計(jì)靈活性和定制機(jī)會(huì)的部件，用于缺陷特定的患者匹配植入物。3DP或AM還提供了一個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，可用于創(chuàng)造新型合金，以實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用的成分修改。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，來自宿主組織的生物反應(yīng)取決于生物材料在生理環(huán)境中的結(jié)構(gòu)和組成特性。3DP的應(yīng)用可以為制造創(chuàng)新的金屬植入物鋪平道路，將不同長度尺度的結(jié)構(gòu)變化和為特定生物學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)的量身定制的組合相結(jié)合。通過體外和體內(nèi)研究顯示了3DP如何用于設(shè)計(jì)用于矯形和牙科應(yīng)用的金屬合金，并具有更高的生物相容性。

鈦（Ti）及其合金由于具有出色的抗疲勞和耐腐蝕性能以及良好的強(qiáng)度重量比，因此廣泛用于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。然而，由于鈦合金的生物惰性表面，其體內(nèi)生物反應(yīng)較差。目前科研人員正在使用不同的涂層和表面改性技術(shù)來改善Ti植入物的生物相容性。

作者的結(jié)果表明，Ti-Ta植入物的機(jī)械和生物學(xué)性能均得到協(xié)同增強(qiáng)。詳細(xì)地說，在增材制造過程中將Ta與Ti合金化會(huì)導(dǎo)致Ti的彈性模量（Ti：110 GPa，25Ta：64±6 GPa）整體下降，這有助于避免因模量非常不匹配而引起的任何機(jī)械不穩(wěn)定性。從增強(qiáng)的組織再生到增加的氧擴(kuò)散和細(xì)胞遷移，已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究以探索多孔的骨生長材料。因此，多孔Ti-Ta合金在植入物-骨界面處顯示出增加的骨組織形成（兔股骨中70％的小梁骨形成），提供了該材料在早期骨愈合方面具有優(yōu)越的生物學(xué)性能的證據(jù)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.11.021

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作者對10Ta-NT和25Ta-NT的研究結(jié)果表明，與100Ta相比，體內(nèi)生物反應(yīng)相似，這證明了我們最初的假設(shè)，即低Ta含量的Ti-Ta合金的行為與純Ta相似。Ti-Ta合金的3D打印使我們能夠橋接分層的長度尺度，并通過增強(qiáng)的早期骨骼形成和縮短的愈合時(shí)間來實(shí)現(xiàn)卓越的生物學(xué)性能，從而設(shè)計(jì)出下一代生物醫(yī)學(xué)合金和結(jié)構(gòu)。Ti-Ta合金植入物可為結(jié)構(gòu)合適的骨科或牙科器械提供長期解決方案，并且是將來設(shè)計(jì)下一代生物材料的出色模板。

圖1 a，通過3D打印設(shè)計(jì)Ti-Ta合金。通過在鈦中大量添加Ta，通過橋接長度尺度來增材制造Ti-Ta合金，并在加工和原位納米級(jí)表面改性過程中引入微孔。b，預(yù)制髖臼杯上Ti-Ta合金涂層的定向能量沉積（DED）工藝示意圖。c，從從皮質(zhì)骨到松質(zhì)骨的宏觀過渡開始，人骨的橫截面呈現(xiàn)出多尺度的骨結(jié)構(gòu)，松質(zhì)骨中的微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及稱為骨質(zhì)的納米級(jí)膠原蛋白細(xì)絲?；诮M成，微孔率和納米管表面改性的變化，設(shè)計(jì)Ti-Ta植入物的生物學(xué)性能評(píng)估。

圖2 a，從概念到材料測試，SEM顯微照片，顯示3D打印組合物的基材，界面和合金化區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。10Ta和25Ta在合金以及界面區(qū)域均顯示出特征性的馬氏體薄片。Ti-Ta合金的微觀組織形態(tài)隨Ta含量的增加而變化。10Ta顯示出片狀血小板的粗陣列的形成，而25Ta顯示出更細(xì)的血小板和更多的具有均勻取向的菌落。樣品和界面區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)由于存在Ta而與Ti6Al4V襯底形成了明顯的差異。b，10Ta和25Ta的元素作圖揭示了與Ti6Al4V襯底相比，樣品區(qū)域中Ta的存在。在基材中發(fā)現(xiàn)鋁，觀察到鋁已在第一激光通過區(qū)擴(kuò)散到樣品中。c，多孔樣品的斷裂表面顯微照片顯示CpTi-P，10Ta-P和25Ta-P沿滑動(dòng)面的裂紋擴(kuò)展以及100Ta-P的延性變形。2c中的比例尺代表1000μm。

圖3 a，使用X射線衍射進(jìn)行相分析。Ti-10Ta和Ti-25Ta的XRD峰分別顯示出馬氏體？？和？？？的相變，這是由于Ti-Ta固溶體的快速淬火導(dǎo)致了亞穩(wěn)相的出現(xiàn)，b，10Ta和25Ta的樣品-基材界面的硬度變化。插圖顯示了實(shí)驗(yàn)方法的示意圖。10Ta樣品和界面區(qū)域的硬度分別為344±3 HV0.2和363±6 HV0.2，高于Ti6Al4V 314±1 HV0.2的硬度。與基材308±1 HV0.2的平均硬度相比，在界面區(qū)域416±3 HV0.2處具有增加的硬度的25Ta組成中，觀察到了類似的趨勢。使用單向方差分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖4 體外細(xì)胞材料相互作用的評(píng)估。a，b，在對照和基礎(chǔ)組合物上分別培養(yǎng)3天和7天的OB的場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）顯微照片。圖像顯示扁平化的細(xì)胞具有絲狀延伸和均勻的底物區(qū)域覆蓋。對于25Ta組成，在SEM顯微照片中觀察到了更均勻扁平和分層的OB細(xì)胞形態(tài)。圖4顯示了在3和7天時(shí)對10Ta和25Ta組合物中的細(xì)胞毒性的MTT分析。在Ta的存在下，細(xì)胞存活力增加，這在MTT分析中持續(xù)了3天和7天。圖4a，b的SEM觀察結(jié)果。對于每種組合物（n = 3），在多個(gè)樣品上進(jìn)行均勻性測試。對于MTT分析，考慮每種組合物的樣本大小為n = 3，并對每個(gè)樣本進(jìn)行三次重復(fù)觀察。圖4c中的條形圖表示光密度的平均值。統(tǒng)計(jì)分析使用單因素方差分析進(jìn)行校正，并用鄧尼特檢驗(yàn)比較與TNT對照相比的成分。

圖5 a，植入物表面和體內(nèi)外科手術(shù)的位置評(píng)估納米管表面改性的10Ta和25Ta組成的SEM顯微照片顯示了兩者中納米管的均勻生長。通過刮擦測試和SEM成像來計(jì)算納米管在表面上的長度和直徑。在10Ta-NT上形成的納米管的平均內(nèi)徑和長度分別為88±5 nm和1 mm。而在25Ta-NT上形成的納米管的平均內(nèi)徑和長度分別為67±12 nm和1 mm。b，圖1分別顯示了10Ta-NT和25Ta-NT作為加工樣品的圖像，c，d分別顯示了TNT和Ta合金的骨-植入物結(jié)合物的X射線照片和CT掃描圖像。在5周收獲的大鼠股骨和術(shù)后7周兔股骨中觀察到植入物的正確放置（射線照相）。股骨內(nèi)股骨遠(yuǎn)端植入物部位的CT圖像證實(shí)了金屬植入物與骨組織的緊密并置以及植入物與手術(shù)產(chǎn)生的嚴(yán)重缺損的尺寸相關(guān)性。箭頭指示植入物的尺寸。所有斷層掃描儀均取自矢狀面的等效層數(shù)。

圖6 a，對Spurr植入的外植體股骨300毫米薄部分的組織學(xué)評(píng)估顯示，在5周時(shí)，在10Ta-NT和25Ta-NT中都有早期類骨形成。類固醇的存在通過改良Masson Goldner染色的紅色標(biāo)記。對于TNT（對照），觀察到沿骨植入物界面的類骨樣形成不均勻。與TNT相比，10Ta-NT和25Ta-NT顯示出更高的類骨質(zhì)，分別為59±10％和54±8％。比例尺尺寸為200毫米。b，圖表示組織學(xué)顯微照片中OS / BS％的定量組織形態(tài)計(jì)量學(xué)表示。與對照（CpTi-P，TNT，TNT-P）相比，所有組合物均顯示出更高的類骨質(zhì)形成。每種組合物的樣本量均為n = 6，并使用單向方差分析和Tukey–Kramer校正對均值進(jìn)行成對比較，對組織形態(tài)計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。條形圖中已報(bào)告了具有標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均觀察值。不共享字母的方式有很大不同，c，骨-植入物界面的SEM顯微照片顯示TNT中存在明顯的縫隙，表明骨整合受限。與TNT相比，25Ta-NT顯示出減小的間隙寬度。然而，在植入后5周，10Ta-NT在骨-植入物界面顯示出很好的整合骨組織。三角形標(biāo)記了顯微照片中的植入物區(qū)域。

圖7 a，用桑德森快速骨染色（SRBS）染色的組織橫截面的組織學(xué)顯微照片顯示黑色的植入物區(qū)域，淺橙色的小梁骨和藍(lán)灰色的類骨質(zhì)襯里。25Ta-P和25Ta-P-NT樣品顯示出比其他樣品更高的小梁骨形成。10Ta-P-NT顯示沿小梁骨的活躍礦化前沿（黑色圓圈）的類骨質(zhì)襯里。黑色正方形和三角形形狀顯示成骨細(xì)胞嵌入小梁骨中，并且在小梁骨襯里有破骨細(xì)胞活性，b，顯微照片顯示用蘇木精和曙紅（H＆E）染色的組織橫截面，以揭示血管的存在（白色箭頭），炎癥反應(yīng)和脂肪組織嵌入細(xì)胞外基質(zhì)中（黑色箭頭）。沒有發(fā)現(xiàn)炎癥反應(yīng)。a和b的圖像比例已在方法部分c的計(jì)算中給出。從組織學(xué)顯微照片評(píng)估的生物學(xué)反應(yīng)的定量圖。25Ta-P-NT顯示較高的小梁骨形成以及血管的存在。骨重塑在除10Ta-P外的所有成分中均有效。對于每種組合物，均考慮n = 3的樣本量，并使用單向方差分析與Tukey-Kramer校正對均值進(jìn)行成對比較，對組織形態(tài)計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。平均觀察值已在骨百分比和小梁骨百分比的圖表中報(bào)告。不共享字母的方式有很大不同。＃血管的條形圖表示植入物周圍10個(gè)連續(xù)高倍視野中計(jì)數(shù)的血管總數(shù)。骨重塑的條形圖表示在10個(gè)連續(xù)高倍視野中觀察到的每種成分的活躍骨重塑前沿的數(shù)量。

圖8 CpTi-P（a），10Ta-P-NT（b），25Ta-P-NT（c）和100Ta-P（d）兔組織學(xué)切片的EDS覆蓋圖顯示了占優(yōu)勢的氧，鈣和磷的存在區(qū)域在骨-植入物界面。取決于植入物的材料，在所有組合物中都檢測到鈣的存在量不同，而氧被認(rèn)為是均勻存在的，這可能是因?yàn)楣趋篮推渌锝Y(jié)構(gòu)（例如膠原蛋白，細(xì)胞外基質(zhì)和血紅蛋白）含有氧。在25Ta-P-NT中觀察到大量磷存在，表明類骨質(zhì)繼續(xù)形成。白色實(shí)心三角形表示植入?yún)^(qū)域。比例尺為1000μm。

圖9 （a–d）用于元素檢測的EDS實(shí)時(shí)映射顯示可檢測元素的不同區(qū)域擴(kuò)散。左列代表檢查區(qū)域的SEM顯微照片，右列代表EDS實(shí)時(shí)地圖。（e–g）展示了在植入物周圍的實(shí)時(shí)制圖過程中檢測到的主要元素（O，P和Ca）的量化。對于每種成分，考慮相同的樣本數(shù)量n = 3，并使用單向方差分析和Tukey–Kramer校正對均值進(jìn)行成對比較，對EDS數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在統(tǒng)計(jì)上，不共享字母的均值存在顯著差異。比例尺尺寸為1mm或1000μm。

圖10 a，針對10Ta-NT和25Ta-NT標(biāo)本的體內(nèi)組織學(xué)切片的組織-材料界面的EDS映射顯示了25Ta-NT中與10Ta-NT中不同的可檢測元素Ta的特征?？梢钥吹皆豑a擴(kuò)散到富含O的組織-材料界面中，顯示出主要的Ta2O5存在。b，陽極氧化Ti-Ta合金在細(xì)胞水平上發(fā)生的表面生化機(jī)制的示意圖。

共存的納米結(jié)構(gòu)的Ti和Ta表面氧化物層在生理環(huán)境中加速了離子相互作用，從而在這些植入物的表面形成了類似磷灰石的層。該磷灰石層又有助于滿足最初的蛋白質(zhì)需求，這是后續(xù)細(xì)胞分裂的基礎(chǔ)。物質(zhì)相互作用回到最初的原理以在材料級(jí)別識(shí)別問題，幫助我們使用3DP設(shè)計(jì)了多尺度結(jié)構(gòu)金屬植入物，從而導(dǎo)致母體合金增強(qiáng)了生物響應(yīng)（Ti-Ta），并減輕了與當(dāng)前實(shí)踐相關(guān)的問題。在層次級(jí)別上橋接長度尺度以包括結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性通常會(huì)導(dǎo)致植入物中的并發(fā)癥和較差的機(jī)械性能，這些在本研究中已成功克服。

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