3D打印多孔鉭內部結構及表面改性在骨組織工程學中的研究進展

崔焱 楊帆，2 劉家河 李陳致 李炎城 吳銘健 李振豪 熊婉琦 劉保一

在當今醫療背景下，骨缺損的處理仍然是一個重要的臨床問題[1]。大型骨缺損通常無法通過身體自身的自我修復能力進行修復[2]，故目前在骨缺損的治療上的關鍵問題主要是移植物與骨的融合不足，并且缺乏快速充分血管化，導致骨再生緩慢或失敗。因此，骨移植物的研究仍然是組織工程研究領域的關注重點[3]，具有巨大的應用前景。

與致密材料相比，多孔結構材料具有一些優點，如可調節的密度、強度和彈性模量，以與骨組織相匹配。多孔材料植入物可以增強骨缺損部位的成骨反應[4]。在眾多多孔結構材料中，多孔鉭具有高孔隙率和相互連接的孔隙結構，孔徑范圍在300 ～ 600 μm 之間，孔隙率在75% ～85%之間[5-6]，相較于其他骨移植物，多孔鉭更接近自然皮質骨[7]。此外，多孔鉭具有高度的耐腐蝕性和生物相容性[8-9]，可以促進內部新骨的形成。其低彈性模量和高摩擦系數可以有效避免應力屏蔽效應[10-12]，最大限度地減少邊緣骨質流失，確保了骨重建與塑型的初級穩定性。此外，多孔鉭表面具有較高的潤濕性和表面能，可以促進成骨細胞的黏附、增殖和礦化等過程[13-14]，并且鉭相較于其他常用醫學金屬材料在力學性能方面要更加優異[15]。

多孔鉭作為一種多孔結構材料，在骨缺損治療中具有許多優勢，包括與骨組織相匹配的調節性能、促進成骨反應、較高的生物相容性和優異的力學性能。因此，多孔鉭在骨移植物研究和應用中具有很大的潛力。3D打印技術具有建模速度快、精度高及能夠根據需求實現個性化定制等優點[16]。在制備多孔鉭方面，3D打印技術可以通過精確控制打印參數和設計模板，實現多孔結構的精確控制和復雜形狀的制備。此外，3D打印技術還可以在打印過程中引入其他功能材料或生物活性物質，進一步改善多孔鉭的性能和生物活性。所以3D打印技術的發展為多孔鉭的制備提供了廣闊的前景。本文的目的是回顧已經應用于3D打印多孔鉭的表面改性方法和策略，并對當前的研究成果進行分析。此外，本文還將探討3D打印多孔鉭在骨組織工程學中內部結構和表面改性方面的研究進展。

1 多孔鉭的生物學性質與空間結構的研究

1.1 多孔鉭的生物學性質

在臨床上，創傷、骨腫瘤切除術后、髖關節或膝關節置換翻修等情況通常會導致骨缺損。骨組織中的成骨細胞和破骨細胞通過平衡骨吸收和骨生長來維持骨的穩態，這兩種細胞對于力學刺激非常敏感。因此，改變力學因素可以調控骨的生長和吸收，從而促進術后骨的愈合[17]。選取的植入材料應該具備適當的力學性能與骨誘導性能，因而選取合適的種植體材料是至關重要的。

近年來的研究發現，金屬鉭具有生物惰性、低毒性、高耐腐蝕性等特性[18]，被認為是一種潛力很大的金屬材料。然而，致密的鉭金屬植入物的彈性模量明顯高于人類骨組織[19]，這會導致應力集中和應力屏障的問題，進而引發植入部位的骨溶解，甚至人工假體松動[20]。隨著近年來3D打印技術的快速發展，研究人員開始應用這一技術制造3D打印多孔鉭。3D打印多孔鉭具有類似于松質骨的彈性模量和多孔結構[21]。相比于致密鉭金屬植入物，3D打印多孔鉭的彈性模量更接近人體骨組織[22]，從而減輕了應力集中和應力屏障的問題，有助于提高植入部位的穩定性和長期耐久性。

Wang等[7]的研究探索了多孔鉭的生物相容性。研究人員將骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）接種到多孔鉭支架上，并在培養基中進行孵育。隨后，他們在指定的時間點使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）觀察了多孔鉭支架。在高倍鏡下，與培養第3 天結果相比，第5 天細胞數量增加，并且可以看到細胞已經生長到多孔鉭的內部，并形成相互連接的突起。這表明多孔鉭可以促進骨細胞向植入體內部生長，具有骨誘導性和生物相容性，并且能夠形成支撐結構，有助于骨組織與植入物更好地結合。另外，Wang等[23]的研究將體外培養的成骨細胞接種到多孔鉭上。在培養的第3 天，觀察到細胞黏附在多孔鉭表面和孔壁上，到第7天觀察到骨細胞融合成薄片，并且伴有細胞分泌基質，幾乎覆蓋了多孔鉭的表面。這些實驗結果表明，多孔鉭不僅為細胞的黏附與增殖提供了空間，還促進了細胞代謝物的分泌和滲透，進一步證明了多孔鉭具有良好的生物相容性。Lu 等[24]的研究將骨髓間充質干細胞培養在多孔鉭上，在培養7 天后，在低倍鏡下觀察到細胞在多孔鉭的表面形成了連續層，并且生長到了多孔鉭的孔隙中，在高倍鏡下觀察到這些增殖的細胞呈不規則形狀，也進一步說明了多孔鉭具有無毒性及良好的生物相容性。除此以外，Dou等[25]的研究發現，多孔鉭可以促進骨髓間充質細胞的黏附和增殖，并在體外促進BMSCs的成骨分化。Gee等[26]的研究證明，多孔鉭增加了直接接觸的人成纖維細胞的增殖，并且在28天內，未觀察到對人成纖維細胞行為可量化的負面影響。這表明多孔鉭對人成骨細胞或者間充質細胞沒有抑制作用，甚至還可以刺激組織界面處軟組織愈合。

以上這些研究結果支持了多孔鉭在骨組織工程中的應用。多孔鉭具有良好的生物相容性，能夠促進骨細胞的黏附、增殖和分泌，與骨組織良好地結合。這些發現為多孔鉭作為種植材料在骨缺損修復和骨組織工程中的應用奠定了基礎。

1.2 多孔鉭的空間結構

多孔鉭的物理性能在商業化產品中得到了改進，其中包括高孔隙率（75% ～ 85%）、十二面體孔結構和400 ～600 μm 的孔徑。報道顯示，眾多實驗結果表明孔徑為400 ～ 600 μm的多孔鉭支架更有利于骨組織的長入[27]，具有平均孔徑400 μm 和孔隙率70%的支架可以促進細胞遷移、增殖、成骨分化，以及血管和骨組織形成[28-29]。在骨整合方面，多孔鉭的高孔徑和孔隙率有助于骨和軟組織向內生長，這是由于其廣泛的三維內部空間和高孔隙互連性。多孔鉭的高孔隙率確保了血管化和營養流動的需要，從而實現早期快速的骨整合。此外，多孔鉭具有高濕潤性和表面能，可以促進干細胞、成骨細胞、軟骨細胞、血管化纖維組織和肌腱的黏附、分化和擴散[30-31]。這些特性表明多孔鉭具有良好的生物相容性和骨誘導性，對于骨組織及肌腱等組織都有積極作用。

多孔鉭的物理性能（如孔徑和孔隙率）對于骨組織工程的成功具有重要影響。選擇適當的孔徑范圍對于骨組織的長入和持續滲透是至關重要的；孔徑和孔隙率應根據特定的臨床需求和應用目標進行選擇和優化。

2 多孔鉭的表面改性

多孔鉭的惰性和低生物活性是其在骨組織工程中發展的一個主要挑戰。為了克服這些問題，研究人員已經引入了多種方法來修飾多孔鉭的表面，以提高其生物活性和骨組織整合能力，從而促進其在臨床應用中的進一步應用。這些方法主要可以分為兩類：生物材料涂層和表面處理。

生物材料涂層是一種常用的表面改性方法，它通過在多孔鉭表面施加附加層來改變其表面性質。這些涂層可以包括生物活性物質、藥物、細胞因子等，以提供更好的細胞附著、增強骨誘導能力或抑制細菌感染。常見的涂層材料包括羥基磷灰石（hydroxyapatite, HAP）、磷酸鈣（Calcium phosphate tribasic, Cap）、聚己內酯（poly-ε-caprolactone,PCL）、聚乳酸（poly-lactic acid, PLA）等。這些涂層可以改善多孔鉭的生物相容性、生物活性和骨組織整合能力，從而促進骨缺損修復。

表面處理是另一種常用的表面改性方法，它通過物理或化學手段對多孔鉭的表面進行改性。常見的表面處理方法包括陽極氧化、酸洗、溶劑處理、等離子體處理等。這些方法可以改變多孔鉭的表面形貌、粗糙度、孔徑和表面能，從而增加其與周圍組織、細胞的相互作用。通過表面處理，可以增強多孔鉭的細胞附著、成骨能力和骨組織整合性能。

這些生物材料涂層和表面處理方法為多孔鉭的改性提供了多種選擇，以滿足不同臨床需求和應用場景。然而，對于每種方法的選擇和優化仍然需要深入的研究和評估，以確保改性后的多孔鉭材料在臨床應用中具有良好的生物相容性、生物活性和長期穩定性。

2.1 多孔鉭表面納米管改性

在Zhang 等[32]的研究中，他們采用電化學陽極氧化的方法，在多孔鉭的表面上構建了獨特的納米結構。在光學視圖下，普通多孔鉭與經過納米管改性的多孔鉭相比，宏觀上沒有明顯的差異，都呈現規則有序的小梁結構。然而，通過放大觀察納米管改性后的多孔鉭表面，可以觀察到微粗糙的形貌，表面上的凸起部分大小不均。

這種納米管改性的多孔鉭表面形貌可以增加其與周圍組織、細胞和蛋白質的相互作用。具有更大的表面積和不規則的表面形貌，可以提供更多的接觸點和結構特征，有助于增強細胞的附著和生長，以及蛋白質的吸附和相互作用。這對于多孔鉭在骨組織工程和植入物應用中的成功整合和生物相容性至關重要。

然而，納米管改性多孔鉭的長期效果和生物相容性還需要進一步的研究和評估。此外，優化納米管的尺寸、分布和密度等參數也是需要考慮的重要因素，以實現最佳的生物活性和組織相容性。

2.2 多孔鉭負載鎂離子

Mg 作為骨生長發育過程中一種必需元素，具有有效地促進成骨與血管生成的能力。在Ma 等[33]的研究中，利用聚多巴胺（polydopamine, PDA）的表面黏附能力將不同濃度的鎂（Mg）摻雜到3D 打印的多孔鉭表面，以提高多孔鉭的表面生物活性。研究通過一系列體外和體內實驗驗證了Ta-PDA-Mg 支架的效果。實驗結果表明，Ta-PDAMg2顯著增強了血管化骨的形成和骨整合。

這種方法為多孔鉭在骨缺損修復和骨組織工程領域的應用提供了新的方向和機會。然而，對于鎂摻雜多孔鉭的長期效應和生物相容性還需要進一步的研究和評估。此外，優化摻雜濃度和制備工藝也是需要考慮的關鍵因素，以確保多孔鉭-Mg材料在臨床應用中的可靠性和有效性。

2.3 多孔鉭表面涂層改性

羥基磷灰石（HA）是一種常用的骨組織補充劑和填料，因其具有生物相容性、生物降解性和無毒性而被廣泛使用[31]。在多孔鉭改性中，磷酸鈣和HA 也被應用于表面改性和藥物遞送。已經有研究證實，利用阿倫膦酸鹽-CaP涂層修復多孔鉭骨-植入物界面間隙，可以成功填充模擬骨缺損的間隙。在阿倫膦酸鹽涂層存在時，多孔鉭種植體表面的生物活性增強[34]，這種成功的修復機制歸因于阿倫膦酸鹽的緩慢釋放，它抑制破骨細胞活性的同時增強成骨細胞的活性。因此，這種方法被認為是提高多孔鉭的骨傳導性能的有效途徑[35]。

在生物醫學領域，聚乳酸（PLA）材料可以被用作藥物運輸材料、組織工程支架材料、骨修復材料等，是目前應用較廣泛的一種人工合成聚合物，其制造方法及特性已被廣泛研究[36]。PLA 可以增加骨導電性和骨形成[37-38]，而且具有生物相容性，生物降解成無毒成分，并且在進入人體后降解率可控[39]。在Liu 等[40]的研究中設計并制造了新型的多孔PLA/β-TCP/PDA/Ta 支架，并且這種支架具有合理的物理結構、適宜的力學性能、優異的生物活性及促進細胞增殖的能力，滿足骨再生和組織修復的初步需要。

在Zhou等[41]的研究中，將CaP納米球與PLA聚合物混合后制備均勻懸浮液，對鉭板和多孔鉭支架表面進行修飾，并在多孔鉭支架上加載了含血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF） 與轉移生長因子（transforming growth factor beta, TGF）的CaP-PLA，并發現這種復合支架可為新生骨的生長提供生長因子、物理支撐、結構引導，并有利于引導軟骨下骨再生。

以上涂層和材料的應用擴展了多孔鉭的功能性和性能范圍。通過將這些材料與多孔鉭結合，可以改善其生物相容性、耐腐蝕性、抗氧化性和骨傳導性能，從而進一步促進骨缺損修復。然而，需要更多的研究和實驗來評估這些改性方法的效果和長期效應，以確保其安全性和可行性。

2.4 多孔鉭表面抗菌性能表面改性

植入物相關感染長期以來一直是臨床環境中的一個棘手問題[42]，它將會導致手術的失敗及額外手術支出。因此，尋找合理的方法賦予多孔鉭抗菌性能勢在必行。聚羥基烷酸酯（polyhydroxyalkanoates, PHA）是一種可生物降解和生物相容的材料，被廣泛應用于藥物遞送和組織工程領域[43]。在Rodríguez-Contreras 等[44]的研究中，將含有抗生素的聚羥基烷酸酯（PHA）涂層加載到多孔鉭表面，實現了受控的抗生素釋放，這種涂層可以避免多孔鉭植入物的感染，并保護其免受革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的感染。另外，Liao等[45]的研究提出了將一種ZnO納米棒-納米片分層涂層用于多孔鉭表面，這種涂層具有兩階段釋放模式，可以在體內持續釋放抗菌物質，從而預防植入物相關感染，ZnO納米棒-納米片涂層的設計可以延長抗菌效果的持續時間，尤其是在術后的關鍵期內。此外，Guo 等[46]的研究通過將阿霉素整合到多孔鉭表面的負電荷三聚體與正電荷甲基化膠原反應的方式，成功抑制了體外培養的軟骨肉瘤細胞的增殖。這種方法利用了藥物的負電荷與多孔鉭表面的正電荷之間的相互作用，實現了抗增殖效果，并有望用于預防和治療與腫瘤相關的植入物感染。此外，還有一項比較研究由Griseti 等[47]進行，他們比較了負載萬古霉素的多孔鉭與負載抗生素的骨水泥，發現多孔鉭可以延長萬古霉素在體內的釋放時間，提高局部抗生素濃度水平，并降低植入物周圍感染的風險。這種方法避免了全身應用抗生素可能導致的全身毒性[48]，并減少了抗生素的過度使用、多藥耐藥微生物的發展及其他未知風險的出現。

這些研究展示了在多孔鉭表面進行生物學改性以增強其抗菌性能的策略。通過將抗菌物質或藥物整合到多孔鉭表面，可以有效地預防和控制植入物相關感染，提高手術成功率，并減少額外支出。然而，這些方法仍處于研究階段，需要進一步的實驗和臨床研究來驗證其效果和可行性。

2.5 多孔鉭表面生物學改性

在Zhao等[10]的研究中開發了一種3D打印的多孔鉭-明膠納米顆粒-水凝膠復合支架，這種復合支架具有生物相容性和生物力學性能，并可以促進高度血管化的骨組織形成，這種復合支架的設計結合了多孔鉭的優良力學性能和明膠納米顆粒的生物活性，通過3D打印技術制造出具有復雜結構和孔隙的支架，為骨細胞提供了生長和血管化所需的環境。在Wei 等[49]的研究中的研究中，他們構建了一個集成的生物制造平臺，利用髓間充質干細胞、多孔鉭和軟骨細胞/膠原膜（collagen membrane, CM）來修復山羊負重區域的骨軟骨缺損。研究結果顯示，軟骨細胞膠原膜維持了軟骨細胞的特性，并且高度表達了軟骨相關基因。這種復合多孔鉭支架材料在修復骨缺損方面表現出良好的效果。

在Wang 等[50]的研究中對多孔鉭表面進行了RGD 肽（Arg-Gly-Asp Peptides, RGD）修飾，并對兔橈骨節段性骨缺損進行修復。與未改性多孔鉭支架相比，RGD肽修飾的多孔鉭支架在界面處和內孔內的骨形成增加，RGD肽修飾的多孔鉭組的生物力學性能優于未改性多孔鉭組。

這些研究都展示了對多孔鉭進行生物學改性以促進骨缺損修復的潛力。通過將多孔鉭與其他生物材料結合，可以提供更好的生物相容性、生物活性和機械性能，從而促進骨組織的再生和修復。這些研究為多孔鉭的應用拓寬了可能性，并為開發更有效的骨缺損修復方法提供了有益的參考。

3 不足與展望

本文對多孔鉭作為骨缺損修復材料的特點和應用進行了詳細的描述。多孔鉭具有良好的生物相容性和骨樣生物力學特性，可以在骨缺損部位誘導有效的骨生長。它具有高耐腐蝕性、低毒性、低彈性模量和高表面摩擦系數等特點，使其成為一種理想的金屬材料用于骨缺損修復。通過閱讀大量相關文獻，發現多孔鉭具有更好的成骨和血管生成分化潛能，能夠促進骨生長和骨誘導。因此，多孔鉭被廣泛應用于骨組織工程，并取得了滿意的臨床效果。然而，仍然需要進一步改進多孔鉭的性能。

隨著3D 打印技術的發展，3D 打印多孔鉭為個性化醫療設計和制造新型多孔鉭基植入物提供了新的可能性。通過調整多孔鉭植入物的宏觀結構、孔徑、孔隙幾何結構和孔隙率，可以滿足患者的需要，特別是在承重部位存在巨大和復雜的骨缺損時，3D 打印多孔鉭具有卓越的靈活性。它在抗壓縮和變形方面優于其他多孔支架，并具有接近骨支架的生物力學性能。盡管目前對于3D打印多孔鉭的研究相對較少，但其在骨科臨床中具有廣闊的應用前景。此外，改性方法可以增強多孔鉭的生物活性和抗菌活性。雖然表面修飾技術在不斷改進，但目前大部分相關研究仍處于動物實驗階段。因此，需要進行更多的實驗來驗證多孔鉭的生物和機械性能，并在不同的生物和機械環境中進一步應用，以證明其在骨科臨床中的巨大價值。這樣才能將多孔鉭廣泛應用于骨缺損修復，并實現其臨床應用的潛力。