《Materials today》IF=26.416：3D打印钛合金！显著改善生物相容性

2021-02-09 13:26:23 作者：本网整理来源：材料学网分享至：

导读：华盛顿州立大学Amit Bandyopadhyay教授等人通过结合Ti中的钽（Ta）元素，添加设计的微孔以及纳米级表面修饰来增强Ti的生物相容性，进而增强体外细胞相容性和体内早期骨整合的能力。相关研究成果以3D Printing in alloy design to improve biocompatibility in metallic implants为题发表在《Materials Today》上。

3D打印（3DP）或增材制造（AM）可以实现具有复杂形状、设计灵活性和定制机会的部件，用于缺陷特定的患者匹配植入物。3DP或AM还提供了一个设计平台，可用于创造新型合金，以实现特定应用的成分修改。在医学应用中，来自宿主组织的生物反应取决于生物材料在生理环境中的结构和组成特性。3DP的应用可以为制造创新的金属植入物铺平道路，将不同长度尺度的结构变化和为特定生物学反应设计的量身定制的组合相结合。通过体外和体内研究显示了3DP如何用于设计用于矫形和牙科应用的金属合金，并具有更高的生物相容性。

钛（Ti）及其合金由于具有出色的抗疲劳和耐腐蚀性能以及良好的强度重量比，因此广泛用于生物医学设备。然而，由于钛合金的生物惰性表面，其体内生物反应较差。目前科研人员正在使用不同的涂层和表面改性技术来改善Ti植入物的生物相容性。

作者的结果表明，Ti-Ta植入物的机械和生物学性能均得到协同增强。详细地说，在增材制造过程中将Ta与Ti合金化会导致Ti的弹性模量（Ti：110 GPa，25Ta：64±6 GPa）整体下降，这有助于避免因模量非常不匹配而引起的任何机械不稳定性。从增强的组织再生到增加的氧扩散和细胞迁移，已经进行了广泛的研究以探索多孔的骨生长材料。因此，多孔Ti-Ta合金在植入物-骨界面处显示出增加的骨组织形成（兔股骨中70％的小梁骨形成），提供了该材料在早期骨愈合方面具有优越的生物学性能的证据。

论文链接：

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

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作者对10Ta-NT和25Ta-NT的研究结果表明，与100Ta相比，体内生物反应相似，这证明了我们最初的假设，即低Ta含量的Ti-Ta合金的行为与纯Ta相似。Ti-Ta合金的3D打印使我们能够桥接分层的长度尺度，并通过增强的早期骨骼形成和缩短的愈合时间来实现卓越的生物学性能，从而设计出下一代生物医学合金和结构。Ti-Ta合金植入物可为结构合适的骨科或牙科器械提供长期解决方案，并且是将来设计下一代生物材料的出色模板。

图1 a，通过3D打印设计Ti-Ta合金。通过在钛中大量添加Ta，通过桥接长度尺度来增材制造Ti-Ta合金，并在加工和原位纳米级表面改性过程中引入微孔。b，预制髋臼杯上Ti-Ta合金涂层的定向能量沉积（DED）工艺示意图。c，从从皮质骨到松质骨的宏观过渡开始，人骨的横截面呈现出多尺度的骨结构，松质骨中的微孔网络结构以及称为骨质的纳米级胶原蛋白细丝。基于组成，微孔率和纳米管表面改性的变化，设计Ti-Ta植入物的生物学性能评估。

图2 a，从概念到材料测试，SEM显微照片，显示3D打印组合物的基材，界面和合金化区域的微观结构。10Ta和25Ta在合金以及界面区域均显示出特征性的马氏体薄片。Ti-Ta合金的微观组织形态随Ta含量的增加而变化。10Ta显示出片状血小板的粗阵列的形成，而25Ta显示出更细的血小板和更多的具有均匀取向的菌落。样品和界面区域的微观结构由于存在Ta而与Ti6Al4V衬底形成了明显的差异。b，10Ta和25Ta的元素作图揭示了与Ti6Al4V衬底相比，样品区域中Ta的存在。在基材中发现铝，观察到铝已在第一激光通过区扩散到样品中。c，多孔样品的断裂表面显微照片显示CpTi-P，10Ta-P和25Ta-P沿滑动面的裂纹扩展以及100Ta-P的延性变形。2c中的比例尺代表1000μm。

图3 a，使用X射线衍射进行相分析。Ti-10Ta和Ti-25Ta的XRD峰分别显示出马氏体？？和？？？的相变，这是由于Ti-Ta固溶体的快速淬火导致了亚稳相的出现，b，10Ta和25Ta的样品-基材界面的硬度变化。插图显示了实验方法的示意图。10Ta样品和界面区域的硬度分别为344±3 HV0.2和363±6 HV0.2，高于Ti6Al4V 314±1 HV0.2的硬度。与基材308±1 HV0.2的平均硬度相比，在界面区域416±3 HV0.2处具有增加的硬度的25Ta组成中，观察到了类似的趋势。使用单向方差分析进行统计分析。

图4 体外细胞材料相互作用的评估。a，b，在对照和基础组合物上分别培养3天和7天的OB的场发射扫描电子显微镜（FESEM）显微照片。图像显示扁平化的细胞具有丝状延伸和均匀的底物区域覆盖。对于25Ta组成，在SEM显微照片中观察到了更均匀扁平和分层的OB细胞形态。图4显示了在3和7天时对10Ta和25Ta组合物中的细胞毒性的MTT分析。在Ta的存在下，细胞存活力增加，这在MTT分析中持续了3天和7天。图4a，b的SEM观察结果。对于每种组合物（n = 3），在多个样品上进行均匀性测试。对于MTT分析，考虑每种组合物的样本大小为n = 3，并对每个样本进行三次重复观察。图4c中的条形图表示光密度的平均值。统计分析使用单因素方差分析进行校正，并用邓尼特检验比较与TNT对照相比的成分。

图5 a，植入物表面和体内外科手术的位置评估纳米管表面改性的10Ta和25Ta组成的SEM显微照片显示了两者中纳米管的均匀生长。通过刮擦测试和SEM成像来计算纳米管在表面上的长度和直径。在10Ta-NT上形成的纳米管的平均内径和长度分别为88±5 nm和1 mm。而在25Ta-NT上形成的纳米管的平均内径和长度分别为67±12 nm和1 mm。b，图1分别显示了10Ta-NT和25Ta-NT作为加工样品的图像，c，d分别显示了TNT和Ta合金的骨-植入物结合物的X射线照片和CT扫描图像。在5周收获的大鼠股骨和术后7周兔股骨中观察到植入物的正确放置（射线照相）。股骨内股骨远端植入物部位的CT图像证实了金属植入物与骨组织的紧密并置以及植入物与手术产生的严重缺损的尺寸相关性。箭头指示植入物的尺寸。所有断层扫描仪均取自矢状面的等效层数。

图6 a，对Spurr植入的外植体股骨300毫米薄部分的组织学评估显示，在5周时，在10Ta-NT和25Ta-NT中都有早期类骨形成。类固醇的存在通过改良Masson Goldner染色的红色标记。对于TNT（对照），观察到沿骨植入物界面的类骨样形成不均匀。与TNT相比，10Ta-NT和25Ta-NT显示出更高的类骨质，分别为59±10％和54±8％。比例尺尺寸为200毫米。b，图表示组织学显微照片中OS / BS％的定量组织形态计量学表示。与对照（CpTi-P，TNT，TNT-P）相比，所有组合物均显示出更高的类骨质形成。每种组合物的样本量均为n = 6，并使用单向方差分析和Tukey–Kramer校正对均值进行成对比较，对组织形态计量学数据进行统计分析。条形图中已报告了具有标准偏差的平均观察值。不共享字母的方式有很大不同，c，骨-植入物界面的SEM显微照片显示TNT中存在明显的缝隙，表明骨整合受限。与TNT相比，25Ta-NT显示出减小的间隙宽度。然而，在植入后5周，10Ta-NT在骨-植入物界面显示出很好的整合骨组织。三角形标记了显微照片中的植入物区域。

图7 a，用桑德森快速骨染色（SRBS）染色的组织横截面的组织学显微照片显示黑色的植入物区域，浅橙色的小梁骨和蓝灰色的类骨质衬里。25Ta-P和25Ta-P-NT样品显示出比其他样品更高的小梁骨形成。10Ta-P-NT显示沿小梁骨的活跃矿化前沿（黑色圆圈）的类骨质衬里。黑色正方形和三角形形状显示成骨细胞嵌入小梁骨中，并且在小梁骨衬里有破骨细胞活性，b，显微照片显示用苏木精和曙红（H＆E）染色的组织横截面，以揭示血管的存在（白色箭头），炎症反应和脂肪组织嵌入细胞外基质中（黑色箭头）。没有发现炎症反应。a和b的图像比例已在方法部分c的计算中给出。从组织学显微照片评估的生物学反应的定量图。25Ta-P-NT显示较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。对于每种组合物，均考虑n = 3的样本量，并使用单向方差分析与Tukey-Kramer校正对均值进行成对比较，对组织形态计量学数据进行统计分析。平均观察值已在骨百分比和小梁骨百分比的图表中报告。不共享字母的方式有很大不同。＃血管的条形图表示植入物周围10个连续高倍视野中计数的血管总数。骨重塑的条形图表示在10个连续高倍视野中观察到的每种成分的活跃骨重塑前沿的数量。

图8 CpTi-P（a），10Ta-P-NT（b），25Ta-P-NT（c）和100Ta-P（d）兔组织学切片的EDS覆盖图显示了占优势的氧，钙和磷的存在区域在骨-植入物界面。取决于植入物的材料，在所有组合物中都检测到钙的存在量不同，而氧被认为是均匀存在的，这可能是因为骨骼和其他生物结构（例如胶原蛋白，细胞外基质和血红蛋白）含有氧。在25Ta-P-NT中观察到大量磷存在，表明类骨质继续形成。白色实心三角形表示植入区域。比例尺为1000μm。

图9 （a–d）用于元素检测的EDS实时映射显示可检测元素的不同区域扩散。左列代表检查区域的SEM显微照片，右列代表EDS实时地图。（e–g）展示了在植入物周围的实时制图过程中检测到的主要元素（O，P和Ca）的量化。对于每种成分，考虑相同的样本数量n = 3，并使用单向方差分析和Tukey–Kramer校正对均值进行成对比较，对EDS数据进行统计分析。在统计上，不共享字母的均值存在显着差异。比例尺尺寸为1mm或1000μm。

图10 a，针对10Ta-NT和25Ta-NT标本的体内组织学切片的组织-材料界面的EDS映射显示了25Ta-NT中与10Ta-NT中不同的可检测元素Ta的特征。可以看到元素Ta扩散到富含O的组织-材料界面中，显示出主要的Ta2O5存在。b，阳极氧化Ti-Ta合金在细胞水平上发生的表面生化机制的示意图。

共存的纳米结构的Ti和Ta表面氧化物层在生理环境中加速了离子相互作用，从而在这些植入物的表面形成了类似磷灰石的层。该磷灰石层又有助于满足最初的蛋白质需求，这是后续细胞分裂的基础。物质相互作用回到最初的原理以在材料级别识别问题，帮助我们使用3DP设计了多尺度结构金属植入物，从而导致母体合金增强了生物响应（Ti-Ta），并减轻了与当前实践相关的问题。在层次级别上桥接长度尺度以包括结构的异质性通常会导致植入物中的并发症和较差的机械性能，这些在本研究中已成功克服。

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