研究人員專為醫(yī)療植入物開(kāi)發(fā)抗感染金屬3D打印技術(shù)

2023年11月21日，南極熊獲悉，華盛頓州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)新型外科植入物，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，該植入物能夠在殺死導(dǎo)致葡萄球菌感染的細(xì)菌方面達(dá)到87%的效果，同時(shí)保持與周圍組織的良好兼容性和堅(jiān)固性。

△華盛頓州立大學(xué)的研究人員測(cè)試了新型3D打印材料的抗疲勞性

該論文的通訊作者、華盛頓州立大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院波音特聘教授Amit Bandyopadhyay表示：“感染一直是一個(gè)我們尚未找到解決方案的問(wèn)題。在許多情況下，植入物無(wú)法有效抵御感染。我們需要尋找一種材料，其本身具備對(duì)抗感染的固有能力，而不僅僅依賴基于藥物的感染控制。這項(xiàng)研究探討了如何通過(guò)改變材料本身，使其具備固有的抗菌反應(yīng)�！�

傳統(tǒng)金屬材料作為植入物的弊端

用于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換以及其它外科植入物的鈦材料是50多年前開(kāi)發(fā)的，但不太適合克服感染。盡管外科醫(yī)生通常在手術(shù)前使用抗生素進(jìn)行治療，但危及生命的感染可能會(huì)在手術(shù)后立即發(fā)生，或在幾周或幾個(gè)月后作為繼發(fā)感染發(fā)生。一旦感染在植入物上形成一層模糊的細(xì)薄膜，醫(yī)生就會(huì)嘗試用全身抗生素進(jìn)行治療。然而，在大約7%的種植手術(shù)病例中，醫(yī)生必須進(jìn)行翻修手術(shù)，移除種植體、清潔該區(qū)域、添加抗生素并植入另一個(gè)種植體。

△所有結(jié)構(gòu)均在基于3D Systems的SLM的粉末床熔融(PBF)系統(tǒng)上進(jìn)行制造

華盛頓州立大學(xué)的研究人員利用3D打印技術(shù)，在通常用于植入物的鈦合金中添加了10%的鉭（一種耐腐蝕金屬）和3%的銅。當(dāng)細(xì)菌接觸到材料的銅表面時(shí)，幾乎所有的細(xì)胞壁都會(huì)破裂。同時(shí)，鉭可以促進(jìn)周圍骨骼和組織的健康細(xì)胞生長(zhǎng)，從而加快患者的康復(fù)。研究人員花了三年時(shí)間對(duì)其植入物進(jìn)行了全面研究，在實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物模型中評(píng)估了其機(jī)械性能、生物學(xué)和抗菌反應(yīng)。他們還研究了其磨損情況，以確保植入物中的金屬離子不會(huì)磨損并移動(dòng)到附近的組織中，從而導(dǎo)致毒性。

△Ti3Al2V-Cu-Ta合金對(duì)早期骨整合的協(xié)同抗菌功效和增強(qiáng)的生物相容性示意圖。這些植入物通過(guò)多材料增材制造制造，可賦予持續(xù)的細(xì)菌耐藥性，同時(shí)通過(guò)增強(qiáng)的生物相容性實(shí)現(xiàn)早期骨形成

在CpTi中添加10wt.%Ta可以顯著改善Ti合金的生物反應(yīng)

通過(guò)利用與增材制造相關(guān)的固有材料靈活性，從而使材料設(shè)計(jì)能夠納入細(xì)菌耐藥性的功能。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用金屬3D打印以物理方式預(yù)混合等重量比例的CpTi和Ti6Al4V粉末來(lái)制造 Ti3Al2V，以評(píng)估加工的致密和多孔零件的機(jī)械和生物響應(yīng)。隨后，采用多材料增材制造將 Ti3Al2V與2和3 wt.% Cu合金化，以進(jìn)行抗菌功效評(píng)估。

△該研究成果已發(fā)表在《國(guó)際極限制造雜志》上，預(yù)計(jì)將在未來(lái)為多種常見(jiàn)手術(shù)，如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換術(shù)等，提供更有效的感染控制手段（傳送門(mén)）

該校西屋電氣杰出教授Susmita Bose說(shuō)：“這種多功能設(shè)備的最大優(yōu)點(diǎn)是可以用它來(lái)控制感染以及良好的骨組織整合。因?yàn)楦腥臼钱?dāng)今外科領(lǐng)域的一個(gè)大問(wèn)題，如果有任何多功能設(shè)備能夠同時(shí)完成這兩件事，那么沒(méi)有什么比它更好的了。”

研究人員正在繼續(xù)這項(xiàng)工作，希望在不影響組織整合的情況下，將細(xì)菌死亡率提高到99%以上的標(biāo)準(zhǔn)。他們還希望確保這些材料，在患者可能使用的現(xiàn)實(shí)負(fù)載條件下提供良好的性能，例如，在膝關(guān)節(jié)置換的情況下進(jìn)行徒步旅行。

研究人員正在與華盛頓州立大學(xué)商業(yè)化辦公室合作，并已申請(qǐng)了臨時(shí)專利。這項(xiàng)工作由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助，并與斯坦福大學(xué)和華盛頓州立大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院的研究人員合作。