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《Materials today》IF=26.416：3D打印鈦合金！顯著改善生物相容性

2021-02-09 13:26:23 作者：本網整理來源：材料學網分享至：

導讀：華盛頓州立大學Amit Bandyopadhyay教授等人通過結合Ti中的鉭（Ta）元素，添加設計的微孔以及納米級表面修飾來增強Ti的生物相容性，進而增強體外細胞相容性和體內早期骨整合的能力。相關研究成果以3D Printing in alloy design to improve biocompatibility in metallic implants為題發表在《Materials Today》上。

3D打印（3DP）或增材制造（AM）可以實現具有復雜形狀、設計靈活性和定制機會的部件，用于缺陷特定的患者匹配植入物。3DP或AM還提供了一個設計平臺，可用于創造新型合金，以實現特定應用的成分修改。在醫學應用中，來自宿主組織的生物反應取決于生物材料在生理環境中的結構和組成特性。3DP的應用可以為制造創新的金屬植入物鋪平道路，將不同長度尺度的結構變化和為特定生物學反應設計的量身定制的組合相結合。通過體外和體內研究顯示了3DP如何用于設計用于矯形和牙科應用的金屬合金，并具有更高的生物相容性。

鈦（Ti）及其合金由于具有出色的抗疲勞和耐腐蝕性能以及良好的強度重量比，因此廣泛用于生物醫學設備。然而，由于鈦合金的生物惰性表面，其體內生物反應較差。目前科研人員正在使用不同的涂層和表面改性技術來改善Ti植入物的生物相容性。

作者的結果表明，Ti-Ta植入物的機械和生物學性能均得到協同增強。詳細地說，在增材制造過程中將Ta與Ti合金化會導致Ti的彈性模量（Ti：110 GPa，25Ta：64±6 GPa）整體下降，這有助于避免因模量非常不匹配而引起的任何機械不穩定性。從增強的組織再生到增加的氧擴散和細胞遷移，已經進行了廣泛的研究以探索多孔的骨生長材料。因此，多孔Ti-Ta合金在植入物-骨界面處顯示出增加的骨組織形成（兔股骨中70％的小梁骨形成），提供了該材料在早期骨愈合方面具有優越的生物學性能的證據。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.11.021

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作者對10Ta-NT和25Ta-NT的研究結果表明，與100Ta相比，體內生物反應相似，這證明了我們最初的假設，即低Ta含量的Ti-Ta合金的行為與純Ta相似。Ti-Ta合金的3D打印使我們能夠橋接分層的長度尺度，并通過增強的早期骨骼形成和縮短的愈合時間來實現卓越的生物學性能，從而設計出下一代生物醫學合金和結構。Ti-Ta合金植入物可為結構合適的骨科或牙科器械提供長期解決方案，并且是將來設計下一代生物材料的出色模板。

圖1 a，通過3D打印設計Ti-Ta合金。通過在鈦中大量添加Ta，通過橋接長度尺度來增材制造Ti-Ta合金，并在加工和原位納米級表面改性過程中引入微孔。b，預制髖臼杯上Ti-Ta合金涂層的定向能量沉積（DED）工藝示意圖。c，從從皮質骨到松質骨的宏觀過渡開始，人骨的橫截面呈現出多尺度的骨結構，松質骨中的微孔網絡結構以及稱為骨質的納米級膠原蛋白細絲。基于組成，微孔率和納米管表面改性的變化，設計Ti-Ta植入物的生物學性能評估。

圖2 a，從概念到材料測試，SEM顯微照片，顯示3D打印組合物的基材，界面和合金化區域的微觀結構。10Ta和25Ta在合金以及界面區域均顯示出特征性的馬氏體薄片。Ti-Ta合金的微觀組織形態隨Ta含量的增加而變化。10Ta顯示出片狀血小板的粗陣列的形成，而25Ta顯示出更細的血小板和更多的具有均勻取向的菌落。樣品和界面區域的微觀結構由于存在Ta而與Ti6Al4V襯底形成了明顯的差異。b，10Ta和25Ta的元素作圖揭示了與Ti6Al4V襯底相比，樣品區域中Ta的存在。在基材中發現鋁，觀察到鋁已在第一激光通過區擴散到樣品中。c，多孔樣品的斷裂表面顯微照片顯示CpTi-P，10Ta-P和25Ta-P沿滑動面的裂紋擴展以及100Ta-P的延性變形。2c中的比例尺代表1000μm。

圖3 a，使用X射線衍射進行相分析。Ti-10Ta和Ti-25Ta的XRD峰分別顯示出馬氏體？？和？？？的相變，這是由于Ti-Ta固溶體的快速淬火導致了亞穩相的出現，b，10Ta和25Ta的樣品-基材界面的硬度變化。插圖顯示了實驗方法的示意圖。10Ta樣品和界面區域的硬度分別為344±3 HV0.2和363±6 HV0.2，高于Ti6Al4V 314±1 HV0.2的硬度。與基材308±1 HV0.2的平均硬度相比，在界面區域416±3 HV0.2處具有增加的硬度的25Ta組成中，觀察到了類似的趨勢。使用單向方差分析進行統計分析。

圖4 體外細胞材料相互作用的評估。a，b，在對照和基礎組合物上分別培養3天和7天的OB的場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）顯微照片。圖像顯示扁平化的細胞具有絲狀延伸和均勻的底物區域覆蓋。對于25Ta組成，在SEM顯微照片中觀察到了更均勻扁平和分層的OB細胞形態。圖4顯示了在3和7天時對10Ta和25Ta組合物中的細胞毒性的MTT分析。在Ta的存在下，細胞存活力增加，這在MTT分析中持續了3天和7天。圖4a，b的SEM觀察結果。對于每種組合物（n = 3），在多個樣品上進行均勻性測試。對于MTT分析，考慮每種組合物的樣本大小為n = 3，并對每個樣本進行三次重復觀察。圖4c中的條形圖表示光密度的平均值。統計分析使用單因素方差分析進行校正，并用鄧尼特檢驗比較與TNT對照相比的成分。

圖5 a，植入物表面和體內外科手術的位置評估納米管表面改性的10Ta和25Ta組成的SEM顯微照片顯示了兩者中納米管的均勻生長。通過刮擦測試和SEM成像來計算納米管在表面上的長度和直徑。在10Ta-NT上形成的納米管的平均內徑和長度分別為88±5 nm和1 mm。而在25Ta-NT上形成的納米管的平均內徑和長度分別為67±12 nm和1 mm。b，圖1分別顯示了10Ta-NT和25Ta-NT作為加工樣品的圖像，c，d分別顯示了TNT和Ta合金的骨-植入物結合物的X射線照片和CT掃描圖像。在5周收獲的大鼠股骨和術后7周兔股骨中觀察到植入物的正確放置（射線照相）。股骨內股骨遠端植入物部位的CT圖像證實了金屬植入物與骨組織的緊密并置以及植入物與手術產生的嚴重缺損的尺寸相關性。箭頭指示植入物的尺寸。所有斷層掃描儀均取自矢狀面的等效層數。

圖6 a，對Spurr植入的外植體股骨300毫米薄部分的組織學評估顯示，在5周時，在10Ta-NT和25Ta-NT中都有早期類骨形成。類固醇的存在通過改良Masson Goldner染色的紅色標記。對于TNT（對照），觀察到沿骨植入物界面的類骨樣形成不均勻。與TNT相比，10Ta-NT和25Ta-NT顯示出更高的類骨質，分別為59±10％和54±8％。比例尺尺寸為200毫米。b，圖表示組織學顯微照片中OS / BS％的定量組織形態計量學表示。與對照（CpTi-P，TNT，TNT-P）相比，所有組合物均顯示出更高的類骨質形成。每種組合物的樣本量均為n = 6，并使用單向方差分析和Tukey–Kramer校正對均值進行成對比較，對組織形態計量學數據進行統計分析。條形圖中已報告了具有標準偏差的平均觀察值。不共享字母的方式有很大不同，c，骨-植入物界面的SEM顯微照片顯示TNT中存在明顯的縫隙，表明骨整合受限。與TNT相比，25Ta-NT顯示出減小的間隙寬度。然而，在植入后5周，10Ta-NT在骨-植入物界面顯示出很好的整合骨組織。三角形標記了顯微照片中的植入物區域。

圖7 a，用桑德森快速骨染色（SRBS）染色的組織橫截面的組織學顯微照片顯示黑色的植入物區域，淺橙色的小梁骨和藍灰色的類骨質襯里。25Ta-P和25Ta-P-NT樣品顯示出比其他樣品更高的小梁骨形成。10Ta-P-NT顯示沿小梁骨的活躍礦化前沿（黑色圓圈）的類骨質襯里。黑色正方形和三角形形狀顯示成骨細胞嵌入小梁骨中，并且在小梁骨襯里有破骨細胞活性，b，顯微照片顯示用蘇木精和曙紅（H＆E）染色的組織橫截面，以揭示血管的存在（白色箭頭），炎癥反應和脂肪組織嵌入細胞外基質中（黑色箭頭）。沒有發現炎癥反應。a和b的圖像比例已在方法部分c的計算中給出。從組織學顯微照片評估的生物學反應的定量圖。25Ta-P-NT顯示較高的小梁骨形成以及血管的存在。骨重塑在除10Ta-P外的所有成分中均有效。對于每種組合物，均考慮n = 3的樣本量，并使用單向方差分析與Tukey-Kramer校正對均值進行成對比較，對組織形態計量學數據進行統計分析。平均觀察值已在骨百分比和小梁骨百分比的圖表中報告。不共享字母的方式有很大不同。＃血管的條形圖表示植入物周圍10個連續高倍視野中計數的血管總數。骨重塑的條形圖表示在10個連續高倍視野中觀察到的每種成分的活躍骨重塑前沿的數量。

圖8 CpTi-P（a），10Ta-P-NT（b），25Ta-P-NT（c）和100Ta-P（d）兔組織學切片的EDS覆蓋圖顯示了占優勢的氧，鈣和磷的存在區域在骨-植入物界面。取決于植入物的材料，在所有組合物中都檢測到鈣的存在量不同，而氧被認為是均勻存在的，這可能是因為骨骼和其他生物結構（例如膠原蛋白，細胞外基質和血紅蛋白）含有氧。在25Ta-P-NT中觀察到大量磷存在，表明類骨質繼續形成。白色實心三角形表示植入區域。比例尺為1000μm。

圖9 （a–d）用于元素檢測的EDS實時映射顯示可檢測元素的不同區域擴散。左列代表檢查區域的SEM顯微照片，右列代表EDS實時地圖。（e–g）展示了在植入物周圍的實時制圖過程中檢測到的主要元素（O，P和Ca）的量化。對于每種成分，考慮相同的樣本數量n = 3，并使用單向方差分析和Tukey–Kramer校正對均值進行成對比較，對EDS數據進行統計分析。在統計上，不共享字母的均值存在顯著差異。比例尺尺寸為1mm或1000μm。

圖10 a，針對10Ta-NT和25Ta-NT標本的體內組織學切片的組織-材料界面的EDS映射顯示了25Ta-NT中與10Ta-NT中不同的可檢測元素Ta的特征。可以看到元素Ta擴散到富含O的組織-材料界面中，顯示出主要的Ta2O5存在。b，陽極氧化Ti-Ta合金在細胞水平上發生的表面生化機制的示意圖。

共存的納米結構的Ti和Ta表面氧化物層在生理環境中加速了離子相互作用，從而在這些植入物的表面形成了類似磷灰石的層。該磷灰石層又有助于滿足最初的蛋白質需求，這是后續細胞分裂的基礎。物質相互作用回到最初的原理以在材料級別識別問題，幫助我們使用3DP設計了多尺度結構金屬植入物，從而導致母體合金增強了生物響應（Ti-Ta），并減輕了與當前實踐相關的問題。在層次級別上橋接長度尺度以包括結構的異質性通常會導致植入物中的并發癥和較差的機械性能，這些在本研究中已成功克服。

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