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3D打印技术在骨修复材料制备中的应用与探索

来源:杰呈3D打印 发布时间:2025-11-06 11:25:15 浏览次数:0
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3D打印技术,可以精确控制多孔钛及其合金的孔隙结构。并且,通过改变其孔径大小、孔隙率、孔隙形状和互联性,能够调节多孔钛支架的机械性能,使植入物与人体骨骼力学性能更加匹配。

成熟金属基3D打印技术

在目前金属基3D打印技术中,比较成熟的有以下几种:

  • 电子束熔化技术(Electron Beam Melting,EBM)
  • 选择性激光熔融技术(Selective Laser Melting,SLM)
  • 直接金属激光烧结技术(Direct Metal Laser Sintering,DMLS)

其中,运用SLM技术制作的金属部件,尺寸精度更好,成品致密度更高,力学性能也更优。

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孔隙结构对骨骼生长的影响

材料孔隙结构对骨骼生长效应的影响,是骨组织生物工程中一直研究的热点。大量研究表明,多孔支架的孔隙率、孔隙大小、孔隙形状和表面结构(粗糙度)等参数,对支架内骨骼的生长分化具有重要影响。

具体而言,孔径大小不仅影响支架中营养物质运输、氧气交换和微环境中代谢产物的清除,还与细胞迁移、细胞粘附、细胞增殖和分化、血管再生和软骨矿化密切相关。

体外实验表明,孔隙率较低的支架通过抑制细胞增殖和促进细胞聚集来促进骨骼生长;相比之下,体内更高的孔隙度可能会导致更好的成骨作用。研究发现,骨组织工程支架材料的理想孔隙率介于60% - 90%。同时,理想的颌骨植入材料,应具备管道及宏 - 微孔结构,以增加支架比表面积,提高细胞和生长因子负载量,改善骨的传导性。

3D打印技术的局限与表面改性需求

3D打印技术可以制备出宏孔(>100μm)支架材料,但微纳米孔结构(<10μm)的制备依然需要借助表面处理技术。因此,需要对多孔钛的表面选用合适的方法进行改性,以利于成骨细胞的黏附、增殖及分化,诱导新生骨长入,提高其表面亲水性,并在骨 - 移植物界面处形成机械锁结作用,使二者更加紧密地结合。

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钛金属表面改性方法

目前对钛金属表面改性的方法主要有物理法、化学法以及电化学法。其中,微弧氧化(Micro - arc oxidation, MAO)是一种相对简便、高效制备高结合强度微纳米多孔涂层的技术。

该技术通过电解液与相应电参数的组合,在铝、镁、钛等金属及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用,原位生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。

通过前期研究发现,微弧氧化表面处理技术可以在纯钛片表面制备一层微纳米多孔涂层,该涂层有利于细胞的黏附、增殖和成骨分化。并且,与光滑表面相比,微米形貌可通过增加材料表面与周围骨组织的机械嵌合力,提高新骨形成的速率和骨量,从而获得较好的骨整合效果。

本研究的目的与方法

本研究拟借助SLM 3D打印技术及微弧氧化技术,制备出具有宏 - 微孔相结合的钛支架,对其进行力学分析、材料表征并初步检测支架材料的生物学活性,为今后构建仿生下颌骨皮质骨支架提供科学的理论依据。

具体操作上,先设计多孔钛支架的钻石分子结构单元和简单立方结构单元,将若干个单元按照钻石和简单立方结构相互连接,就可以建立出具有钻石结构和简单立方结构的支架模型。其中,钻石结构记为Ti - DIA,简单立方结构记为Ti - CU。


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