清华、北大、北医三院联合：高温氧化处理3D打印镁合金骨植入物结构优化及体内外生物降解行为

        最近，Bioactive Materials期刊上发表了一篇研究论文，合著者包括清华大学的温鹏教授、北京大学的郑玉峰教授以及北医三院的田耘医生。论文题目为《高温氧化处理对3D打印镁合金骨内植入体结构的优化及其体内外生物降解行为的影响》。

        该研究采用了高温氧化处理工艺，成功形成了镁合金表面的氧化层和迁移层，从而有效减缓了3D打印镁合金材料的降解速度。研究团队设计制备了孔径分别为500微米、800微米和1400微米的镁支架多孔支架（分别称为P500、P800和P1400），并对其力学性能、生物相容性、降解行为和成骨能力进行了体内外的综合评价。

        研究结果表明，P500结构的性能表现出色，具有较好的力学特性和降解性能。基于这一启示，我们可以通过结构优化设计来调控镁合金支架的力学性能和降解速率，从而实现对骨缺损的有效重建。

研究内容简介

        围绕关节区骨缺损这一常见而复杂的临床问题，存在着对植骨材料和其结构研发的挑战。治疗骨缺损需要使用能够在应力下持久支撑关节表面的整体支架，并且在降解过程中形成有利于骨生长的环境，以实现缺损区域和关节表面的稳定修复。增材制造技术为精准修复骨缺损带来了技术革命，通过将生物可降解的镁金属与增材制造相结合，可以制备具有"生物活性可降解"和"定制化结构"的个性化骨植入物，这已成为骨缺损治疗领域的前沿发展方向。

        增材制造技术实现了多孔结构的制备，但同时也增加了材料的比表面积，在与体液接触时会加速降解过程。因此，如何在实现多孔结构的同时控制镁合金修复体的吸收速率，一直是研究者们关注的问题。

        本文设计了研究概要图（图1），运用激光粉末床熔融增材制造工艺（LPBF）和高温氧化处理工艺，制备了具有定制化宏微观结构的WE43生物可降解镁合金多孔支架。针对三种不同孔径的镁支架多孔支架，进行了体内外的力学性能、生物相容性、降解行为和成骨能力的研究。旨在为激光增材制造生物可降解镁合金在临床应用上的推广奠定基础，同时也希望能够解决骨缺损精准治疗面临的临床难题。

图1：本文的研究概要

一、WE43镁合金多孔支架的显微组织分析及力学性能

        为了解决WE43镁合金多孔支架在生物体内降解过快的问题，我们的研究团队开发了一种抑制降解的高温氧化处理工艺，并形成了一个具有氧化层的表面（图2b）。根据EDS分析结果（图2c），在高温氧化处理后，支架表面形成了含有Y、Nd、Gd、Zr和O等元素的氧化物层，该层能够隔离镁合金基体与体液，从而减缓镁合金支架的降解速率。

        我们的研究团队制备了三种不同孔径的镁合金支架，分别为500微米、800微米和1400微米（P500、P800和P1400）。这些不同孔径的镁合金支架表面形貌相似，并且没有明显的缺陷（图3b-d）。然而，它们在体外的力学行为却存在明显差异，其中P500表现出良好的结构性能（图3e-g）。

图2：镁合金支架高温氧化处理前后横截面上的 SEM 形貌（a-b）和 EDS 分析（c）

图3：不同孔径的镁合金支架SEM 形貌（b-d）和 体外力学测试（c）

二、体外生物相容性及促成骨能力

        为了评估镁合金支架的生物相容性，我们将骨髓间充质干细胞直接植入P500、P800和P1400组的镁合金支架上。结果显示，骨髓间充质干细胞能够良好地附着在P500、P800和P1400组的支架表面（图4a）。研究团队采用间接接触法测试了镁合金支架的体外生物相容性。细胞活力/死亡染色、细胞凋亡测试和CCK-8细胞毒性试验结果显示，所有组别的细胞具有良好的相容性，并且各组别之间没有显著差异（图4b-d）。

        随后，为了测试镁合金支架的体外成骨性能，我们在培养基中添加了地塞米松、L-抗坏血酸和β-甘油磷酸钠进行成骨诱导。如图5a-d所示，镁合金支架组的碱性磷酸酶活性和细胞外基质的矿化水平均较对照组高，其中P500组的骨髓间充质干细胞具有最显著的成骨性能。随后，通过蛋白质免疫印迹实验定量分析了成骨相关分子蛋白的表达水平，结果显示P500组的成骨相关分子蛋白表达水平较其他组更高（图5e-h）。

图4：不同孔径的镁合金支架组的体外细胞黏附性（a）和生物相容性测试（b-f）

图5：不同孔径的镁合金支架组体外促成骨能力测试：（a）碱性磷酸酶染色和(b) 碱性磷酸酶活性测试，(c-d)茜素红染色及其半定量分析，(e-h) 成骨相关分子蛋白半定量分析结果

三、体内生物降解行为及促成骨能力

        为了研究不同孔径的镁合金支架在体内的生物降解行为和促成骨能力，研究团队进一步进行了兔股骨髁缺损模型的实验，并以硫酸钙骨水泥作为对照。结果显示，在手术后的4周，WE43多孔支架结构仍然清晰可见，表明支架没有明显降解，保持了良好的结构完整性。而在骨水泥组中，硫酸钙骨水泥已完全降解（图6a）。

        Micro-CT结果显示，镁合金支架组的新骨形成量明显高于对照组，并且P500组的BV/TV、BSA/BV和Tb.N值显著高于P800和P1400组（图6b-e）。这说明P500支架具有优越的成骨性能，较持久的结构力学支撑有助于围关节骨缺损的修复，并具有作为骨科植入物的潜力。对缺损部位进行的硬组织切片结果与Micro-CT结果相一致（图7）。

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