研究人員專為醫療植入物開發抗感染金屬3D打印技術
時間：2023-11-22 09:13 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2023年11月21日，華盛頓州立大學研究團隊成功研發新型外科植入物，實驗室測試表明，該植入物能夠在殺死導致葡萄球菌感染的細菌方面達到87%的效果，同時保持與周圍組織的良好兼容性和堅固性。
傳統金屬材料作為植入物的弊端
用于髖關節和膝關節置換以及其它外科植入物的鈦材料是50多年前開發的，但不太適合克服感染。盡管外科醫生通常在手術前使用抗生素進行治療，但危及生命的感染可能會在手術后立即發生，或在幾周或幾個月后作為繼發感染發生。一旦感染在植入物上形成一層模糊的細薄膜，醫生就會嘗試用全身抗生素進行治療。然而，在大約7%的種植手術病例中，醫生必須進行翻修手術，移除種植體、清潔該區域、添加抗生素并植入另一個種植體。
華盛頓州立大學的研究人員利用3D打印技術，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。當細菌接觸到材料的銅表面時，幾乎所有的細胞壁都會破裂。同時，鉭可以促進周圍骨骼和組織的健康細胞生長，從而加快患者的康復。研究人員花了三年時間對其植入物進行了全面研究，在實驗室和動物模型中評估了其機械性能、生物學和抗菌反應。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磨損并移動到附近的組織中，從而導致毒性。
在CpTi中添加10wt.%Ta可以顯著改善Ti合金的生物反應
通過利用與增材制造相關的固有材料靈活性，從而使材料設計能夠納入細菌耐藥性的功能。
該團隊通過使用金屬3D打印以物理方式預混合等重量比例的CpTi和Ti6Al4V粉末來制造 Ti3Al2V，以評估加工的致密和多孔零件的機械和生物響應。隨后，采用多材料增材制造將 Ti3Al2V與2和3 wt.% Cu合金化，以進行抗菌功效評估。
該校西屋電氣杰出教授Susmita Bose說：“這種多功能設備的最大優點是可以用它來控制感染以及良好的骨組織整合。因為感染是當今外科領域的一個大問題，如果有任何多功能設備能夠同時完成這兩件事，那么沒有什么比它更好的了。”
研究人員正在繼續這項工作，希望在不影響組織整合的情況下，將細菌死亡率提高到99%以上的標準。他們還希望確保這些材料，在患者可能使用的現實負載條件下提供良好的性能，例如，在膝關節置換的情況下進行徒步旅行。
研究人員正在與華盛頓州立大學商業化辦公室合作，并已申請了臨時專利。這項工作由美國國立衛生研究院資助，并與斯坦福大學和華盛頓州立大學獸醫學院的研究人員合作。
△華盛頓州立大學的研究人員測試了新型3D打印材料的抗疲勞性
該論文的通訊作者、華盛頓州立大學機械與材料工程學院波音特聘教授Amit
Bandyopadhyay表示：“感染一直是一個我們尚未找到解決方案的問題。在許多情況下，植入物無法有效抵御感染。我們需要尋找一種材料，其本身具備對抗感染的固有能力，而不僅僅依賴基于藥物的感染控制。這項研究探討了如何通過改變材料本身，使其具備固有的抗菌反應。”
傳統金屬材料作為植入物的弊端
用于髖關節和膝關節置換以及其它外科植入物的鈦材料是50多年前開發的，但不太適合克服感染。盡管外科醫生通常在手術前使用抗生素進行治療，但危及生命的感染可能會在手術后立即發生，或在幾周或幾個月后作為繼發感染發生。一旦感染在植入物上形成一層模糊的細薄膜，醫生就會嘗試用全身抗生素進行治療。然而，在大約7%的種植手術病例中，醫生必須進行翻修手術，移除種植體、清潔該區域、添加抗生素并植入另一個種植體。
△所有結構均在基于3D Systems的SLM的粉末床熔融(PBF)系統上進行制造
華盛頓州立大學的研究人員利用3D打印技術，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。當細菌接觸到材料的銅表面時，幾乎所有的細胞壁都會破裂。同時，鉭可以促進周圍骨骼和組織的健康細胞生長，從而加快患者的康復。研究人員花了三年時間對其植入物進行了全面研究，在實驗室和動物模型中評估了其機械性能、生物學和抗菌反應。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磨損并移動到附近的組織中，從而導致毒性。
△Ti3Al2V-Cu-Ta合金對早期骨整合的協同抗菌功效和增強的生物相容性示意圖。這些植入物通過多材料增材制造制造，可賦予持續的細菌耐藥性，同時通過增強的生物相容性實現早期骨形成
在CpTi中添加10wt.%Ta可以顯著改善Ti合金的生物反應
通過利用與增材制造相關的固有材料靈活性，從而使材料設計能夠納入細菌耐藥性的功能。
該團隊通過使用金屬3D打印以物理方式預混合等重量比例的CpTi和Ti6Al4V粉末來制造 Ti3Al2V，以評估加工的致密和多孔零件的機械和生物響應。隨后，采用多材料增材制造將 Ti3Al2V與2和3 wt.% Cu合金化，以進行抗菌功效評估。
△該研究成果已發表在《國際極限制造雜志》上，預計將在未來為多種常見手術，如髖關節和膝關節置換術等，提供更有效的感染控制手段（傳送門）
該校西屋電氣杰出教授Susmita Bose說：“這種多功能設備的最大優點是可以用它來控制感染以及良好的骨組織整合。因為感染是當今外科領域的一個大問題，如果有任何多功能設備能夠同時完成這兩件事，那么沒有什么比它更好的了。”
研究人員正在繼續這項工作，希望在不影響組織整合的情況下，將細菌死亡率提高到99%以上的標準。他們還希望確保這些材料，在患者可能使用的現實負載條件下提供良好的性能，例如，在膝關節置換的情況下進行徒步旅行。
研究人員正在與華盛頓州立大學商業化辦公室合作，并已申請了臨時專利。這項工作由美國國立衛生研究院資助，并與斯坦福大學和華盛頓州立大學獸醫學院的研究人員合作。
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