3D打印多孔钛合金孔隙结构对骨诱导性能影响的研究进展

李昃鹏，薛静波

进入21世纪，损伤、感染及肿瘤等各种疾病导致的骨缺损愈发常见，如何成功修复大块骨缺损成为骨科医师面对的一大难题，利用骨替代材料进行骨移植是目前的主要选择。理想的骨替代材料应具备以下几种特性：①良好的生物相容性；②良好的生物降解性；③具有骨传导和骨诱导作用；④具有可塑性和较好强度；⑤材料表面微环境良好[1]。自体骨一直被认为是骨缺损的最佳替代材料，但供骨量有限、取骨时造成新的创伤及病理性自体骨质量差等因素限制了自体骨移植的广泛应用[2]。

为解决临床的迫切需求，组织工程骨应运而生。目前已开发出多种具有良好生物学和力学性能的骨替代材料，广泛应用于骨科及口腔颌面外科领域，取得良好的治疗效果[3-4]。相比于传统的支架材料，目前研发的新型骨替代材料具备诱导细胞在非骨性环境中成骨的潜能，即骨诱导性能，而拥有良好骨诱导性能的骨替代材料可以修复更大面积的骨缺损，同时加速骨缺损的愈合[5]。

多孔钛合金具有良好的理化特性，是近年来骨科领域广泛应用的骨替代材料[6-7]。利用3D打印技术可对多孔钛合金材料内部的细微结构进行精确设计，使其更接近于人体的骨组织结构，进而制作出符合患者需求的个性化植入物[8]。本文就3D打印多孔钛合金骨替代材料物理参数对骨诱导性能影响的研究进展综述如下。

1 多孔钛合金的机械性能

钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等特点，目前被广泛应用于医用材料领域。但钛合金的弹性模量约110 GPa，显著高于人体皮质骨的弹性模量（3～30 GPa）[9]，这种数量级上的差异导致钛合金植入物与骨组织在受力后变形程度不一致，长期使用可能产生应力屏蔽现象。多孔钛合金在结构上与多孔网架状结构的松质骨类似，这也是其作为骨替代材料的结构基础。

骨植入物支架必须具有能够支撑骨应力的机械力学性能。孔隙结构是影响材料抗压强度与抗疲劳性能的重要因素。孔隙率过大会降低材料的抗压强度与抗疲劳性能；孔隙率过低则会缩小骨长入有效空间，影响骨组织长入支架内部[10]。因此，设计既满足力学性能要求、又拥有良好生物学性能的孔隙结构对于多孔骨替代材料尤为重要。Peng等[11]研究发现，孔隙率60%～80%、孔径大小480～685μm的多孔钛合金具有良好的机械力学性能，且圆柱形多孔支架强度高于立方体形支架；Ma等[12]认为，骨植入多孔材料孔隙率控制在75%时可有效降低弹性模量，同时为骨长入提供物理空间；Xu等[9]通过制备孔隙率控制在50.8%～66.9%的多孔Ti-10Mo合金，研究孔隙特性对材料力学性能的影响，结果表明，孔隙率为63.4%时Ti-10Mo合金的力学性能最佳，该参数下多孔钛合金弹性模量为2.9 GPa，抗压强度为127.5 MPa。Hedayati[13]等利用选择性激光熔融（selective laser melting，SLM）技术制备孔隙率在66%～84%的多孔钛合金，并对各样品进行载荷试验，结果表明较低孔隙率的多孔钛合金抗疲劳性能更好。总之，大多数力学研究提示孔隙率为60%～80%的多孔钛合金支架机械性能更好，但寻找使材料达到最佳机械性能的物理参数，仍需进行更细化的研究。

2 骨诱导与多孔钛合金材料

“骨诱导”这一概念首次出现于上世纪60年代，Urist[14]将“直接诱导间充质细胞分化为成骨细胞，进而在非骨环境中激发骨生成的性能”定义为骨诱导性能。从骨生长角度而言，充足的营养物质是细胞在支架中生长必不可少的条件，开放的多孔结构允许骨组织长入内植物内部，其微孔结构使骨组织与支架结合更为紧密，从而限制骨与内植物之间的微移动；同时多孔结构可以维持细胞形态，促进成骨细胞的黏附和增殖，不仅有利于营养物质和代谢物质的运输，还为血管和神经长入提供可观的物理空间，更利于骨组织的长入及长期稳定[15-16]。有研究者比较多孔钛结构椎体和实体钛结构椎体植入动物体内的长入效果，结果发现两种钛结构都能获得良好的即刻稳定性，但多孔钛结构椎体的远期融合性能优于实体钛结构椎体[17]。

3 3D打印多孔钛合金孔隙结构对骨诱导性能的影响

作为目前临床上广泛应用的骨替代材料，3D打印多孔钛合金主要通过调控孔隙尺寸、孔隙率、表面形貌及孔隙形状等参数来调节其骨诱导性能。

3.1 孔隙尺寸

多孔植入物微孔孔径大小的设计一直是近年来骨组织工程研究的重点。理想的孔径大小不仅要利于细胞间的物质运输和交换，为成骨细胞的增殖迁移和血管神经长入提供优越的环境，还需保证足够的强度来承受骨的应力。1970年Hulburt等[18]从生物相容性和天然骨吸收的角度探讨多孔材料用于骨缺损永久修复的可行性，提出多孔植入物孔径超过100μm时即可影响骨长入。Li等[19]将电子束熔融（electron beam melting，EBM）技术制备而成的300～400μm、400～500μm、500～700μm 3种孔径大小的多孔钛合金支架分别与骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）共培养，同时设计一组Ti6Al4V致密支架作为对照，结果表明孔径为300～400μm的多孔钛合金支架最有利于BMSCs的增殖和分化。Warnke等[20]通过3D打印技术制备孔径尺寸为0.45～1.2 mm的多孔钛合金材料，体外研究发现，当孔径＞0.7 mm时，培养的人成骨细胞数量逐渐减少，骨组织无法长满全部孔洞；孔径尺寸为0.5～0.6 mm时，成骨细胞生长最为旺盛，可填满全部孔洞。周鹏[21]利用3D打印制作出不同孔径大小和孔隙率的多孔钛合金涂层并在其表面培养MG-63细胞，结果显示微孔较小的两组多孔钛合金（218.7μm、61.2%，262μm、68.1%）有利于细胞黏附和分化，而微孔较大的多孔钛合金（753μm、89.0%）有利于细胞增殖，继续培养发现孔径262μm、孔隙率68.1%的多孔涂层表面覆盖的骨质最多。

动物实验方面，付君等[22]利用3D打印技术设计出总孔隙率为（55.48±0.61）%、孔径（319.21±25.05）μm的多孔钛合金并植入猪髋臼缺损模型，结果显示该植入物多孔结构中有骨小梁长入，提示该参数下多孔钛合金具有良好的骨诱导性能。Taniguchi等[23]利用SLM技术制备孔径大小分别为300、600、900μm的多孔钛合金，植入兔胫骨缺损模型后发现600μm孔径材料与骨组织的结合能力最强。

总的来说，孔径过小会限制细胞的长入空间，阻碍营养物质的运输，导致成骨细胞生长不良；孔径过大则会降低植入材料的抗压性能和强度。因此，确定最适宜成骨的孔隙尺寸，需要在材料力学性能和生物相容性之间找到最佳的平衡点。

3.2 孔隙率

孔隙率是材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比，植入物的孔隙率可影响物质在不同孔隙间的自由移动能力和交换能力，进而影响材料的骨生长水平。原则上多孔植入物的孔隙率越接近人体松质骨孔隙率（70%～90%），则越有利于骨生长。孔隙率过高，会降低植入物的抗压性能及强度，难以承受骨的应力，导致使用寿命缩短；孔隙率过低，则阻碍细胞的物质交换，影响成骨能力[24]。Tamaddon等[25]利用3D打印技术研制一种孔隙率为72%的多孔钛支架，在其表面接种羊BMSCs进行体外培养，结果显示，细胞在该支架表面上有良好的黏附能力。Cheng等[26]通过3D打印技术制备孔隙率分别为（15.0±2.9）%、（37.9±4.0）%、（70.0±3.5）%的3种多孔钛合金支架，并在其表面种植MG-63细胞，结果提示3种支架表面细胞均有较高的存活率，但（70.0±3.5）%高孔隙率组中的细胞存活率最高。Xu等[27]制备孔隙度分别为40%、70%的多孔钛合金支架，接种兔BMSCs进行培养，同时以致密钛合金作为对照，结果发现40%和70%孔隙率组细胞在材料表面增殖较快，其中70%孔隙率组细胞从边缘生长到孔隙中的时间更短，细胞连接更紧密。国内王雷和李强[28]的实验亦得到类似结果。

3.3 孔隙形状

多孔植入物的孔隙形状可改变细胞在多孔支架内部的有效空间分布，从而影响细胞的生物学行为。Zaharin等[29]研究300～600μm孔径的立方体形和螺旋形微孔对多孔钛合金性能的影响，结果表明，立方体形结构更适合种植体应用，而具有陀螺结构的所有样品均适用于种植体。Van Bael等[30]通过SLM法制备3种不同形状（三角形、六角形和矩形）、2种不同孔径（500μm和1 000μm）的6种Ti6Al4V支架材料，研究孔径、孔型和通透性对3D人骨膜衍生细胞体外增殖和分化的影响，结果证实，孔径500μm、六角形支架上的孔隙阻塞率最高。亦有学者采用SLM技术制备具有3种不同微孔形状（立方体形、锥形、对角线形）的多孔钛合金支架，分别在其表面培养人成骨细胞，结果表明，锥形微孔支架上的成骨细胞代谢活性显著高于其他两种支架，而比较立方体形和对角线形两种结构表面的细胞代谢活性，并未发现有明显差异[31]。由此可见，孔隙形状的不同可影响多孔植入物的成骨能力，但有关调控植入物骨诱导性能的最佳孔隙形状及其影响机制，目前尚无定论，这可能与实验中难以控制孔隙形状这一单一变量有关。

3.4 表面形貌

研究表明，在一定粗糙范围内，较粗糙的钛合金支架表面比相对光滑的表面更有利于成骨细胞生长[32-33]，这可能是因为相对粗糙的表面形貌能增加成骨细胞黏附的接触面积，增大材料表面的摩擦力，使成骨细胞更容易黏附在材料表面，从而有利于细胞长入。Liang等[34]在不同宽度（0.5～1.0μm、1～1.5μm、1.5～2.0μm）沟槽和不同直径（20～30 nm、30～50 nm、50～100 nm）纳米粒子组成的复合表面接种人BMSCs，结果表明，由1.5～2.0μm沟槽和50～100 nm粒子组成的较粗糙表面最有利于骨整合。但也有研究提出不同观点，Saruta等[35]在具有微粗糙（1～5μm）间隔和亚微粗糙（0.1～0.5μm）间隔的钛支架表面培养大鼠成骨细胞，比较两种支架植入大鼠模型后股骨与支架的整合能力，结果显示，亚微粗糙表面附着的细胞数和细胞密度大于微粗糙表面，但微粗糙表面的骨整合能力优于亚微粗糙表面。Fojt等[36]利用SLM和EBM技术分别制备表面粗糙程度不同的钛合金，在其表面分别种植骨肉瘤细胞，结果证实细胞在较粗糙表面上的增殖能力不如较光滑表面。此外，有研究者采用喷砂、酸蚀与氧化法结合处理后得到一种钛复合表面，在保持起始微/亚微粗糙度的同时，钛表面形成了可控的纳米结构；将MG-63细胞接种于该复合表面，结果发现，复合表面比单纯纳米结构钛表面更有利于细胞分化和局部因子的产生，这表明纳米级结构与微/亚微尺度的粗糙度相结合可促进成骨细胞的增殖分化[37]。

4 总结和展望

3D打印多孔植入物用于骨缺损治疗是组织工程领域的一项新突破。利用3D打印技术，可对植入材料的孔隙尺寸、孔隙率、孔隙形状及表面形貌等物理参数进行精确的微孔设计，这种优势是传统骨植入支架难以比拟的，因此可以制作出生物相容性和机械性能更为理想的个性化植入物，充分满足患者需求。

尽管目前3D打印多孔钛合金材料的相关研究取得诸多进展，但仍有不足之处：①实验结果在不同的动物和细胞模型之间可能存在差异；②难以评价单一因素对于骨长入效果的作用；③金属支架与骨组织之间接触的不同部位需求的参数可能不同。不断改进多孔钛合金材料，使其各项性能与自体骨更加接近仍是目前的研究重点。

今后也可尝试利用患者自身组织构建血管化3D打印支架[38]，从而达到更加完美的诱导效果。3D打印技术几乎能够满足设计者对材料的所有可控性需求，利用这一优势，可在3D打印多孔植入物的微孔内携带相关药物进行局部骨组织靶向治疗[39]，使3D打印多孔植入物不仅在设计上实现“量体裁衣”，在治疗上也能起到“对症下药”的效果。而未来在3D打印的基础上，引入对时间产生相关形变的材料[40]，将实现从3D生物打印到4D生物打印的飞跃，从而使多孔钛合金植入物具有更广阔的应用前景。