新型3D打印陶瓷支架不只是骨骼“备件”

来源：科技日报

人造骨修复支架可用于支持、修复或替换受损骨骼，对于骨移植手术有重要作用。

本报记者 王延斌

骨缺损是一种由创伤、感染、骨质疏松等多种原因引起的疾病。严重的骨缺损有可能导致患者肢体功能障碍，甚至出现骨不连等情况，影响患者生活质量。

近日，记者从山东第一医科大学了解到，该校副教授刘冰、教授李伟，与山东第一医科大学附属省立医院副主任医师满振涛合作开发了一种新型3D打印陶瓷支架。这种支架具备优异的活性氧清除能力、近红外响应能力与力学性能，可以有效增强骨骼的愈合能力，为骨缺损治疗提供了新方案。相关研究论文刊登在国际期刊《尖端科学》上。

促进骨生成

骨移植是骨缺损的传统治疗方法，全世界每年进行超过200万例骨移植手术，移植所用的天然骨组织主要来源于自体骨、同种异体骨和异种骨。自体骨供应量有限，难以满足大块骨缺损的修复需求。同种异体骨和异种骨移植则存在免疫排斥等风险，可能导致移植的骨组织无法存活，甚至引发炎症和感染。

正因如此，人造骨修复支架对于骨移植手术具有关键作用。开发具有良好骨修复功能的新型材料，实现骨结构重建乃至骨功能恢复，具有重要的科学价值和临床意义。

人造骨修复支架可用于支持、修复或替换受损骨骼，其生物相容性、机械性能、可塑性、骨诱导性和力学稳定性是影响骨组织愈合的关键因素。

理想的人造骨修复支架材料应具备可降解性，同时要确保支架的孔隙率精确可控，孔道结构连贯畅通，外形与骨缺损区域相匹配，力学性能与自然骨接近，材料降解速率与新生骨组织形成速度相协调等。

刘冰告诉记者，研究团队开发的用于临界骨缺损修复的新型3D打印陶瓷支架，能够实现对骨缺损区域免疫微环境的动态精确管理。所谓“临界骨缺损”是一种较为严重的骨组织损伤，指的是骨折无法自然愈合，或仅能再生极少量骨组织的情况。

这种新型支架不只是骨骼“备件”，还可以介入骨骼修复，促进骨免疫调节，持续释放有益离子，加速新骨生成。同时，支架能够随着新骨生长而逐渐降解，有效解决传统支架“新骨未长成，支架已降解”的问题。

有效抗炎症

骨组织修复过程往往伴随炎症反应。炎症反应未得到有效控制时，可能导致骨组织发生病理性纤维化，破坏正常的骨组织结构。此外，炎症反应的类型、持续时间和强度也会影响骨组织的修复效果。

刘冰表示，传统的人造骨修复材料通常难以调节炎症反应，并且这些材料作为异物植入人体后，会触发周围细胞的免疫反应，释放促炎信号，从而阻碍修复型抗炎介质参与成骨反应，这将抑制或延缓骨组织修复。

刘冰说，研究团队利用锌离子、锶离子这两种生物活性离子，对β-磷酸三钙基材料进行了部分钙离子的原位置换，成功改善了材料的晶体结构，优化了粉体制备条件和3D打印工艺。新支架的抗压强度较传统材料提升了近3倍，实现了高孔隙率和优异力学性能的良好结合。

在植入人体后，这种材料可以与骨直接融合，不会产生局部炎症反应和毒副作用。此外，锌离子具有抗炎抗菌作用，锶离子则可以促进成骨细胞活性。刘冰进一步解释，在支架逐渐降解的过程中，这两种离子的长期释放有利于维持骨再生后期的抗炎调节，并刺激成骨细胞生成。

消除活性氧

活性氧是生物体内正常代谢过程中产生的含氧自由基，适量的活性氧对细胞信号传导、免疫反应等有益。但在促炎介质作用下，活性氧往往会过量产生，这可能导致氧化应激，损伤蛋白质、DNA、脂质和脂质膜的结构和功能，从而阻碍骨修复和再生。

对此，研究团队巧妙地将超薄二维材料MXene-Ti3C2组装于新型3D打印陶瓷支架表面，让该支架拥有近红外光响应特性和清除多余活性氧的能力，从而更好地维持生物体内的环境平衡，并使其得以在短时间内促进骨修复和再生。

在植入3D打印陶瓷支架后，对患处进行近红外照射，可引起支架的近红外光响应，在支架周围产生局部轻度高温，这相当于在患处进行了轻度光热治疗。适度高温可以促进人体早期防御机制激活，增强机体活性氧清除能力。这将为骨组织再生创造适宜的骨免疫微环境。

研究团队发现，在治疗大鼠颅骨缺损时，新型3D打印陶瓷支架的成骨效果明显优于传统支架。不过，刘冰也表示，针对承重区域临界骨缺损修复的临床需求，如何在确保陶瓷基支架可3D打印的同时，进一步提高其强度，仍是这类陶瓷材料迈向临床应用需要攻克的关键技术难题。

未来，人造骨修复支架将继续朝着生物活性更高、可降解性更好、材料和功能更加丰富的方向发展。此外，纳米技术、3D打印技术、人工智能技术等将进一步丰富人造骨修复支架的个性化治疗方案，提升支架的性能和疗效。