选择性激光熔化钽骨板的研究与临床应用

学术背景

在骨科植入物领域，钛（Ti）基合金和钽（Ta）因其高生物相容性而被广泛应用。钛基合金通常用于制造承重植入物，如骨板和股骨柄，而钽则因其高密度和优异的骨组织亲和性，常用于多孔形式或作为涂层材料。然而，传统的制造方法（如化学气相沉积，CVD）无法精确控制多孔结构的拓扑特征，限制了钽在骨科植入物中的应用。近年来，增材制造（AM）技术，特别是选择性激光熔化（SLM）技术，为制造复杂多孔结构的个性化植入物提供了新的可能性。本研究旨在通过SLM技术制造钽骨板，并评估其作为骨折内固定材料的性能。

论文来源

本论文由来自大连大学附属中山医院骨科的研究团队撰写，主要作者包括Dewei Zhao、Baoyi Liu、Feng Wang、Zhijie Ma和Junlei Li。论文于2024年12月27日在线发表在《Bio-design and Manufacturing》期刊上，DOI为10.1631/bdm.2300321。

研究流程

1. 样品制备

研究团队使用球形Ti6Al4V（超低杂质，ELI）和纯度>99.95%的钽粉末，通过选择性激光熔化（SLM）技术制造了Ti6Al4V和钽的圆盘样品（直径20 mm，厚度2 mm）。制造过程中，Ti6Al4V的参数为：层厚30 μm，激光功率150 W，曝光时间40 μs，点距50 μm，扫描间距60 μm；钽的参数为：曝光间隔100 μs，激光功率260 W，层厚30 μm，点距50 μm，扫描间距65 μm。样品经过喷砂处理以去除表面金属颗粒，并使用SiC砂纸抛光至2000目，最后进行超声波清洗和干燥。

2. 材料表征

通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）观察样品表面形貌和元素组成，X射线衍射（XRD）分析相组成。接触角测试用于表征表面能，表面粗糙度通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）测量。拉伸试验用于评估机械性能，测试了五种样品的屈服强度、极限抗拉强度和断裂伸长率。

3. 细胞培养

使用小鼠颅骨来源的成骨细胞（MC3T3-E1细胞）进行细胞增殖、形态和分化实验。细胞在含有10%胎牛血清的α-MEM培养基中培养，使用CCK-8试剂盒检测细胞增殖，活/死细胞染色评估细胞活性，CLSM观察细胞形态。通过定量实时PCR（qPCR）检测成骨相关基因（Runx2、ALP、OCN、OPN、Col-1）的表达水平。

4. 体外巨噬细胞反应

使用RAW 264.7巨噬细胞评估SLM Ti6Al4V、SLM Ti6Al4V with Ta涂层和SLM Ta对巨噬细胞极化的影响。通过免疫荧光染色检测iNOS和CD206的表达，流式细胞术分析M1和M2巨噬细胞的表面标志物（CCR7和CD206），小鼠细胞因子阵列面板检测炎症因子的表达水平。

5. 动物实验

将SLM Ti6Al4V、SLM Ti6Al4V with Ta涂层和SLM Ta棒植入新西兰兔的股骨髁，6周后评估骨整合性能。通过Van Gieson（VG）染色观察骨-植入物接触（BIC）和新骨形成，推出力测试评估植入物的稳定性。

6. 临床试验

从2021年9月至2023年2月，选取20名肢体骨折患者（14名男性，6名女性）进行SLM多孔钽骨板的内固定手术。术后通过X射线评估骨折愈合情况。

主要结果

1. 材料表征

SLM Ti6Al4V和SLM Ta的表面粗糙度相似，分别为2.000 μm和2.046 μm，而SLM Ti6Al4V with Ta涂层的表面粗糙度为2.208 μm。SLM Ti6Al4V的表面能最高（40.6 mN/m），SLM Ta次之（35.3 mN/m），SLM Ti6Al4V with Ta涂层最低（33.1 mN/m）。拉伸试验显示，SLM Ta的塑性变形能力最强，而SLM Ti6Al4V的抗拉强度最高。

2. 细胞培养

MC3T3-E1细胞在SLM Ta和SLM Ti6Al4V with Ta涂层表面的增殖、粘附和成骨分化能力显著优于SLM Ti6Al4V。qPCR结果显示，SLM Ta和SLM Ti6Al4V with Ta涂层表面的成骨相关基因表达水平显著高于SLM Ti6Al4V。

3. 巨噬细胞反应

SLM Ta显著促进了巨噬细胞向M2表型的极化，并抑制了炎症因子的分泌。流式细胞术显示，SLM Ta组的M2巨噬细胞比例显著高于SLM Ti6Al4V组。

4. 动物实验

SLM Ta组的骨-植入物接触（BIC）和新骨形成面积最大，推出力测试显示SLM Ta植入物的稳定性显著优于SLM Ti6Al4V。

5. 临床试验

所有患者的骨折均愈合良好，平均手术时间为56分钟，平均失血量为145.6 ml。X射线显示，骨折线在术后3-6个月完全消失。

结论

本研究通过SLM技术制造了多孔钽骨板，并验证了其作为骨折内固定材料的优越性能。SLM Ta具有优异的机械性能、抗炎活性和骨整合能力，能够促进骨折愈合并避免二次手术。该研究为骨科植入物的个性化设计和制造提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 创新性制造技术：首次通过SLM技术制造多孔钽骨板，实现了复杂多孔结构的精确控制。
2. 优异的生物相容性：SLM Ta表现出优异的细胞亲和性和成骨活性，显著优于传统钛合金。
3. 临床应用前景：SLM多孔钽骨板在临床试验中表现出良好的骨折愈合效果，具有广泛的应用前景。