3D打印多孔钽内部结构及表面改性在骨组织工程学中的研究进展

崔焱 杨帆，2 刘家河 李陈致 李炎城 吴铭健 李振豪 熊婉琦 刘保一

在当今医疗背景下，骨缺损的处理仍然是一个重要的临床问题[1]。大型骨缺损通常无法通过身体自身的自我修复能力进行修复[2]，故目前在骨缺损的治疗上的关键问题主要是移植物与骨的融合不足，并且缺乏快速充分血管化，导致骨再生缓慢或失败。因此，骨移植物的研究仍然是组织工程研究领域的关注重点[3]，具有巨大的应用前景。

与致密材料相比，多孔结构材料具有一些优点，如可调节的密度、强度和弹性模量，以与骨组织相匹配。多孔材料植入物可以增强骨缺损部位的成骨反应[4]。在众多多孔结构材料中，多孔钽具有高孔隙率和相互连接的孔隙结构，孔径范围在300 ～ 600 µm 之间，孔隙率在75% ～85%之间[5-6]，相较于其他骨移植物，多孔钽更接近自然皮质骨[7]。此外，多孔钽具有高度的耐腐蚀性和生物相容性[8-9]，可以促进内部新骨的形成。其低弹性模量和高摩擦系数可以有效避免应力屏蔽效应[10-12]，最大限度地减少边缘骨质流失，确保了骨重建与塑型的初级稳定性。此外，多孔钽表面具有较高的润湿性和表面能，可以促进成骨细胞的黏附、增殖和矿化等过程[13-14]，并且钽相较于其他常用医学金属材料在力学性能方面要更加优异[15]。

多孔钽作为一种多孔结构材料，在骨缺损治疗中具有许多优势，包括与骨组织相匹配的调节性能、促进成骨反应、较高的生物相容性和优异的力学性能。因此，多孔钽在骨移植物研究和应用中具有很大的潜力。3D打印技术具有建模速度快、精度高及能够根据需求实现个性化定制等优点[16]。在制备多孔钽方面，3D打印技术可以通过精确控制打印参数和设计模板，实现多孔结构的精确控制和复杂形状的制备。此外，3D打印技术还可以在打印过程中引入其他功能材料或生物活性物质，进一步改善多孔钽的性能和生物活性。所以3D打印技术的发展为多孔钽的制备提供了广阔的前景。本文的目的是回顾已经应用于3D打印多孔钽的表面改性方法和策略，并对当前的研究成果进行分析。此外，本文还将探讨3D打印多孔钽在骨组织工程学中内部结构和表面改性方面的研究进展。

1 多孔钽的生物学性质与空间结构的研究

1.1 多孔钽的生物学性质

在临床上，创伤、骨肿瘤切除术后、髋关节或膝关节置换翻修等情况通常会导致骨缺损。骨组织中的成骨细胞和破骨细胞通过平衡骨吸收和骨生长来维持骨的稳态，这两种细胞对于力学刺激非常敏感。因此，改变力学因素可以调控骨的生长和吸收，从而促进术后骨的愈合[17]。选取的植入材料应该具备适当的力学性能与骨诱导性能，因而选取合适的种植体材料是至关重要的。

近年来的研究发现，金属钽具有生物惰性、低毒性、高耐腐蚀性等特性[18]，被认为是一种潜力很大的金属材料。然而，致密的钽金属植入物的弹性模量明显高于人类骨组织[19]，这会导致应力集中和应力屏障的问题，进而引发植入部位的骨溶解，甚至人工假体松动[20]。随着近年来3D打印技术的快速发展，研究人员开始应用这一技术制造3D打印多孔钽。3D打印多孔钽具有类似于松质骨的弹性模量和多孔结构[21]。相比于致密钽金属植入物，3D打印多孔钽的弹性模量更接近人体骨组织[22]，从而减轻了应力集中和应力屏障的问题，有助于提高植入部位的稳定性和长期耐久性。

Wang等[7]的研究探索了多孔钽的生物相容性。研究人员将骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）接种到多孔钽支架上，并在培养基中进行孵育。随后，他们在指定的时间点使用扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）观察了多孔钽支架。在高倍镜下，与培养第3 天结果相比，第5 天细胞数量增加，并且可以看到细胞已经生长到多孔钽的内部，并形成相互连接的突起。这表明多孔钽可以促进骨细胞向植入体内部生长，具有骨诱导性和生物相容性，并且能够形成支撑结构，有助于骨组织与植入物更好地结合。另外，Wang等[23]的研究将体外培养的成骨细胞接种到多孔钽上。在培养的第3 天，观察到细胞黏附在多孔钽表面和孔壁上，到第7天观察到骨细胞融合成薄片，并且伴有细胞分泌基质，几乎覆盖了多孔钽的表面。这些实验结果表明，多孔钽不仅为细胞的黏附与增殖提供了空间，还促进了细胞代谢物的分泌和渗透，进一步证明了多孔钽具有良好的生物相容性。Lu 等[24]的研究将骨髓间充质干细胞培养在多孔钽上，在培养7 天后，在低倍镜下观察到细胞在多孔钽的表面形成了连续层，并且生长到了多孔钽的孔隙中，在高倍镜下观察到这些增殖的细胞呈不规则形状，也进一步说明了多孔钽具有无毒性及良好的生物相容性。除此以外，Dou等[25]的研究发现，多孔钽可以促进骨髓间充质细胞的黏附和增殖，并在体外促进BMSCs的成骨分化。Gee等[26]的研究证明，多孔钽增加了直接接触的人成纤维细胞的增殖，并且在28天内，未观察到对人成纤维细胞行为可量化的负面影响。这表明多孔钽对人成骨细胞或者间充质细胞没有抑制作用，甚至还可以刺激组织界面处软组织愈合。

以上这些研究结果支持了多孔钽在骨组织工程中的应用。多孔钽具有良好的生物相容性，能够促进骨细胞的黏附、增殖和分泌，与骨组织良好地结合。这些发现为多孔钽作为种植材料在骨缺损修复和骨组织工程中的应用奠定了基础。

1.2 多孔钽的空间结构

多孔钽的物理性能在商业化产品中得到了改进，其中包括高孔隙率（75% ～ 85%）、十二面体孔结构和400 ～600 µm 的孔径。报道显示，众多实验结果表明孔径为400 ～ 600 μm的多孔钽支架更有利于骨组织的长入[27]，具有平均孔径400 µm 和孔隙率70%的支架可以促进细胞迁移、增殖、成骨分化，以及血管和骨组织形成[28-29]。在骨整合方面，多孔钽的高孔径和孔隙率有助于骨和软组织向内生长，这是由于其广泛的三维内部空间和高孔隙互连性。多孔钽的高孔隙率确保了血管化和营养流动的需要，从而实现早期快速的骨整合。此外，多孔钽具有高湿润性和表面能，可以促进干细胞、成骨细胞、软骨细胞、血管化纤维组织和肌腱的黏附、分化和扩散[30-31]。这些特性表明多孔钽具有良好的生物相容性和骨诱导性，对于骨组织及肌腱等组织都有积极作用。

多孔钽的物理性能（如孔径和孔隙率）对于骨组织工程的成功具有重要影响。选择适当的孔径范围对于骨组织的长入和持续渗透是至关重要的；孔径和孔隙率应根据特定的临床需求和应用目标进行选择和优化。

2 多孔钽的表面改性

多孔钽的惰性和低生物活性是其在骨组织工程中发展的一个主要挑战。为了克服这些问题，研究人员已经引入了多种方法来修饰多孔钽的表面，以提高其生物活性和骨组织整合能力，从而促进其在临床应用中的进一步应用。这些方法主要可以分为两类：生物材料涂层和表面处理。

生物材料涂层是一种常用的表面改性方法，它通过在多孔钽表面施加附加层来改变其表面性质。这些涂层可以包括生物活性物质、药物、细胞因子等，以提供更好的细胞附着、增强骨诱导能力或抑制细菌感染。常见的涂层材料包括羟基磷灰石（hydroxyapatite, HAP）、磷酸钙（Calcium phosphate tribasic, Cap）、聚己内酯（poly-ε-caprolactone,PCL）、聚乳酸（poly-lactic acid, PLA）等。这些涂层可以改善多孔钽的生物相容性、生物活性和骨组织整合能力，从而促进骨缺损修复。

表面处理是另一种常用的表面改性方法，它通过物理或化学手段对多孔钽的表面进行改性。常见的表面处理方法包括阳极氧化、酸洗、溶剂处理、等离子体处理等。这些方法可以改变多孔钽的表面形貌、粗糙度、孔径和表面能，从而增加其与周围组织、细胞的相互作用。通过表面处理，可以增强多孔钽的细胞附着、成骨能力和骨组织整合性能。

这些生物材料涂层和表面处理方法为多孔钽的改性提供了多种选择，以满足不同临床需求和应用场景。然而，对于每种方法的选择和优化仍然需要深入的研究和评估，以确保改性后的多孔钽材料在临床应用中具有良好的生物相容性、生物活性和长期稳定性。

2.1 多孔钽表面纳米管改性

在Zhang 等[32]的研究中，他们采用电化学阳极氧化的方法，在多孔钽的表面上构建了独特的纳米结构。在光学视图下，普通多孔钽与经过纳米管改性的多孔钽相比，宏观上没有明显的差异，都呈现规则有序的小梁结构。然而，通过放大观察纳米管改性后的多孔钽表面，可以观察到微粗糙的形貌，表面上的凸起部分大小不均。

这种纳米管改性的多孔钽表面形貌可以增加其与周围组织、细胞和蛋白质的相互作用。具有更大的表面积和不规则的表面形貌，可以提供更多的接触点和结构特征，有助于增强细胞的附着和生长，以及蛋白质的吸附和相互作用。这对于多孔钽在骨组织工程和植入物应用中的成功整合和生物相容性至关重要。

然而，纳米管改性多孔钽的长期效果和生物相容性还需要进一步的研究和评估。此外，优化纳米管的尺寸、分布和密度等参数也是需要考虑的重要因素，以实现最佳的生物活性和组织相容性。

2.2 多孔钽负载镁离子

Mg 作为骨生长发育过程中一种必需元素，具有有效地促进成骨与血管生成的能力。在Ma 等[33]的研究中，利用聚多巴胺（polydopamine, PDA）的表面黏附能力将不同浓度的镁（Mg）掺杂到3D 打印的多孔钽表面，以提高多孔钽的表面生物活性。研究通过一系列体外和体内实验验证了Ta-PDA-Mg 支架的效果。实验结果表明，Ta-PDAMg2显著增强了血管化骨的形成和骨整合。

这种方法为多孔钽在骨缺损修复和骨组织工程领域的应用提供了新的方向和机会。然而，对于镁掺杂多孔钽的长期效应和生物相容性还需要进一步的研究和评估。此外，优化掺杂浓度和制备工艺也是需要考虑的关键因素，以确保多孔钽-Mg材料在临床应用中的可靠性和有效性。

2.3 多孔钽表面涂层改性

羟基磷灰石（HA）是一种常用的骨组织补充剂和填料，因其具有生物相容性、生物降解性和无毒性而被广泛使用[31]。在多孔钽改性中，磷酸钙和HA 也被应用于表面改性和药物递送。已经有研究证实，利用阿伦膦酸盐-CaP涂层修复多孔钽骨-植入物界面间隙，可以成功填充模拟骨缺损的间隙。在阿伦膦酸盐涂层存在时，多孔钽种植体表面的生物活性增强[34]，这种成功的修复机制归因于阿伦膦酸盐的缓慢释放，它抑制破骨细胞活性的同时增强成骨细胞的活性。因此，这种方法被认为是提高多孔钽的骨传导性能的有效途径[35]。

在生物医学领域，聚乳酸（PLA）材料可以被用作药物运输材料、组织工程支架材料、骨修复材料等，是目前应用较广泛的一种人工合成聚合物，其制造方法及特性已被广泛研究[36]。PLA 可以增加骨导电性和骨形成[37-38]，而且具有生物相容性，生物降解成无毒成分，并且在进入人体后降解率可控[39]。在Liu 等[40]的研究中设计并制造了新型的多孔PLA/β-TCP/PDA/Ta 支架，并且这种支架具有合理的物理结构、适宜的力学性能、优异的生物活性及促进细胞增殖的能力，满足骨再生和组织修复的初步需要。

在Zhou等[41]的研究中，将CaP纳米球与PLA聚合物混合后制备均匀悬浮液，对钽板和多孔钽支架表面进行修饰，并在多孔钽支架上加载了含血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF） 与转移生长因子（transforming growth factor beta, TGF）的CaP-PLA，并发现这种复合支架可为新生骨的生长提供生长因子、物理支撑、结构引导，并有利于引导软骨下骨再生。

以上涂层和材料的应用扩展了多孔钽的功能性和性能范围。通过将这些材料与多孔钽结合，可以改善其生物相容性、耐腐蚀性、抗氧化性和骨传导性能，从而进一步促进骨缺损修复。然而，需要更多的研究和实验来评估这些改性方法的效果和长期效应，以确保其安全性和可行性。

2.4 多孔钽表面抗菌性能表面改性

植入物相关感染长期以来一直是临床环境中的一个棘手问题[42]，它将会导致手术的失败及额外手术支出。因此，寻找合理的方法赋予多孔钽抗菌性能势在必行。聚羟基烷酸酯（polyhydroxyalkanoates, PHA）是一种可生物降解和生物相容的材料，被广泛应用于药物递送和组织工程领域[43]。在Rodríguez-Contreras 等[44]的研究中，将含有抗生素的聚羟基烷酸酯（PHA）涂层加载到多孔钽表面，实现了受控的抗生素释放，这种涂层可以避免多孔钽植入物的感染，并保护其免受革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的感染。另外，Liao等[45]的研究提出了将一种ZnO纳米棒-纳米片分层涂层用于多孔钽表面，这种涂层具有两阶段释放模式，可以在体内持续释放抗菌物质，从而预防植入物相关感染，ZnO纳米棒-纳米片涂层的设计可以延长抗菌效果的持续时间，尤其是在术后的关键期内。此外，Guo 等[46]的研究通过将阿霉素整合到多孔钽表面的负电荷三聚体与正电荷甲基化胶原反应的方式，成功抑制了体外培养的软骨肉瘤细胞的增殖。这种方法利用了药物的负电荷与多孔钽表面的正电荷之间的相互作用，实现了抗增殖效果，并有望用于预防和治疗与肿瘤相关的植入物感染。此外，还有一项比较研究由Griseti 等[47]进行，他们比较了负载万古霉素的多孔钽与负载抗生素的骨水泥，发现多孔钽可以延长万古霉素在体内的释放时间，提高局部抗生素浓度水平，并降低植入物周围感染的风险。这种方法避免了全身应用抗生素可能导致的全身毒性[48]，并减少了抗生素的过度使用、多药耐药微生物的发展及其他未知风险的出现。

这些研究展示了在多孔钽表面进行生物学改性以增强其抗菌性能的策略。通过将抗菌物质或药物整合到多孔钽表面，可以有效地预防和控制植入物相关感染，提高手术成功率，并减少额外支出。然而，这些方法仍处于研究阶段，需要进一步的实验和临床研究来验证其效果和可行性。

2.5 多孔钽表面生物学改性

在Zhao等[10]的研究中开发了一种3D打印的多孔钽-明胶纳米颗粒-水凝胶复合支架，这种复合支架具有生物相容性和生物力学性能，并可以促进高度血管化的骨组织形成，这种复合支架的设计结合了多孔钽的优良力学性能和明胶纳米颗粒的生物活性，通过3D打印技术制造出具有复杂结构和孔隙的支架，为骨细胞提供了生长和血管化所需的环境。在Wei 等[49]的研究中的研究中，他们构建了一个集成的生物制造平台，利用髓间充质干细胞、多孔钽和软骨细胞/胶原膜（collagen membrane, CM）来修复山羊负重区域的骨软骨缺损。研究结果显示，软骨细胞胶原膜维持了软骨细胞的特性，并且高度表达了软骨相关基因。这种复合多孔钽支架材料在修复骨缺损方面表现出良好的效果。

在Wang 等[50]的研究中对多孔钽表面进行了RGD 肽（Arg-Gly-Asp Peptides, RGD）修饰，并对兔桡骨节段性骨缺损进行修复。与未改性多孔钽支架相比，RGD肽修饰的多孔钽支架在界面处和内孔内的骨形成增加，RGD肽修饰的多孔钽组的生物力学性能优于未改性多孔钽组。

这些研究都展示了对多孔钽进行生物学改性以促进骨缺损修复的潜力。通过将多孔钽与其他生物材料结合，可以提供更好的生物相容性、生物活性和机械性能，从而促进骨组织的再生和修复。这些研究为多孔钽的应用拓宽了可能性，并为开发更有效的骨缺损修复方法提供了有益的参考。

3 不足与展望

本文对多孔钽作为骨缺损修复材料的特点和应用进行了详细的描述。多孔钽具有良好的生物相容性和骨样生物力学特性，可以在骨缺损部位诱导有效的骨生长。它具有高耐腐蚀性、低毒性、低弹性模量和高表面摩擦系数等特点，使其成为一种理想的金属材料用于骨缺损修复。通过阅读大量相关文献，发现多孔钽具有更好的成骨和血管生成分化潜能，能够促进骨生长和骨诱导。因此，多孔钽被广泛应用于骨组织工程，并取得了满意的临床效果。然而，仍然需要进一步改进多孔钽的性能。

随着3D 打印技术的发展，3D 打印多孔钽为个性化医疗设计和制造新型多孔钽基植入物提供了新的可能性。通过调整多孔钽植入物的宏观结构、孔径、孔隙几何结构和孔隙率，可以满足患者的需要，特别是在承重部位存在巨大和复杂的骨缺损时，3D 打印多孔钽具有卓越的灵活性。它在抗压缩和变形方面优于其他多孔支架，并具有接近骨支架的生物力学性能。尽管目前对于3D打印多孔钽的研究相对较少，但其在骨科临床中具有广阔的应用前景。此外，改性方法可以增强多孔钽的生物活性和抗菌活性。虽然表面修饰技术在不断改进，但目前大部分相关研究仍处于动物实验阶段。因此，需要进行更多的实验来验证多孔钽的生物和机械性能，并在不同的生物和机械环境中进一步应用，以证明其在骨科临床中的巨大价值。这样才能将多孔钽广泛应用于骨缺损修复，并实现其临床应用的潜力。