最近，Bioactive Materials期刊上發表了一篇研究論文，合著者包括清華大學的溫鵬教授、北京大學的鄭玉峰教授以及北醫三院的田耘醫生。論文題目為《高溫氧化處理對3D打印鎂合金骨內植入體結構的優化及其體內外生物降解行為的影響》。

        該研究采用了高溫氧化處理工藝，成功形成了鎂合金表面的氧化層和遷移層，從而有效減緩了3D打印鎂合金材料的降解速度。研究團隊設計制備了孔徑分別為500微米、800微米和1400微米的鎂支架多孔支架（分別稱為P500、P800和P1400），并對其力學性能、生物相容性、降解行為和成骨能力進行了體內外的綜合評價。

        研究結果表明，P500結構的性能表現出色，具有較好的力學特性和降解性能。基于這一啟示，我們可以通過結構優化設計來調控鎂合金支架的力學性能和降解速率，從而實現對骨缺損的有效重建。

研究內容簡介

        圍繞關節區骨缺損這一常見而復雜的臨床問題，存在著對植骨材料和其結構研發的挑戰。治療骨缺損需要使用能夠在應力下持久支撐關節表面的整體支架，并且在降解過程中形成有利于骨生長的環境，以實現缺損區域和關節表面的穩定修復。增材制造技術為精準修復骨缺損帶來了技術革命，通過將生物可降解的鎂金屬與增材制造相結合，可以制備具有"生物活性可降解"和"定制化結構"的個性化骨植入物，這已成為骨缺損治療領域的前沿發展方向。

        增材制造技術實現了多孔結構的制備，但同時也增加了材料的比表面積，在與體液接觸時會加速降解過程。因此，如何在實現多孔結構的同時控制鎂合金修復體的吸收速率，一直是研究者們關注的問題。

        本文設計了研究概要圖（圖1），運用激光粉末床熔融增材制造工藝（LPBF）和高溫氧化處理工藝，制備了具有定制化宏微觀結構的WE43生物可降解鎂合金多孔支架。針對三種不同孔徑的鎂支架多孔支架，進行了體內外的力學性能、生物相容性、降解行為和成骨能力的研究。旨在為激光增材制造生物可降解鎂合金在臨床應用上的推廣奠定基礎，同時也希望能夠解決骨缺損精準治療面臨的臨床難題。

圖1：本文的研究概要

一、WE43鎂合金多孔支架的顯微組織分析及力學性能

        為了解決WE43鎂合金多孔支架在生物體內降解過快的問題，我們的研究團隊開發了一種抑制降解的高溫氧化處理工藝，并形成了一個具有氧化層的表面（圖2b）。根據EDS分析結果（圖2c），在高溫氧化處理后，支架表面形成了含有Y、Nd、Gd、Zr和O等元素的氧化物層，該層能夠隔離鎂合金基體與體液，從而減緩鎂合金支架的降解速率。

        我們的研究團隊制備了三種不同孔徑的鎂合金支架，分別為500微米、800微米和1400微米（P500、P800和P1400）。這些不同孔徑的鎂合金支架表面形貌相似，并且沒有明顯的缺陷（圖3b-d）。然而，它們在體外的力學行為卻存在明顯差異，其中P500表現出良好的結構性能（圖3e-g）。

圖2：鎂合金支架高溫氧化處理前后橫截面上的 SEM 形貌（a-b）和 EDS 分析（c）

圖3：不同孔徑的鎂合金支架SEM 形貌（b-d）和 體外力學測試（c）

二、體外生物相容性及促成骨能力

        為了評估鎂合金支架的生物相容性，我們將骨髓間充質干細胞直接植入P500、P800和P1400組的鎂合金支架上。結果顯示，骨髓間充質干細胞能夠良好地附著在P500、P800和P1400組的支架表面（圖4a）。研究團隊采用間接接觸法測試了鎂合金支架的體外生物相容性。細胞活力/死亡染色、細胞凋亡測試和CCK-8細胞毒性試驗結果顯示，所有組別的細胞具有良好的相容性，并且各組別之間沒有顯著差異（圖4b-d）。

        隨后，為了測試鎂合金支架的體外成骨性能，我們在培養基中添加了地塞米松、L-抗壞血酸和β-甘油磷酸鈉進行成骨誘導。如圖5a-d所示，鎂合金支架組的堿性磷酸酶活性和細胞外基質的礦化水平均較對照組高，其中P500組的骨髓間充質干細胞具有最顯著的成骨性能。隨后，通過蛋白質免疫印跡實驗定量分析了成骨相關分子蛋白的表達水平，結果顯示P500組的成骨相關分子蛋白表達水平較其他組更高（圖5e-h）。

圖4：不同孔徑的鎂合金支架組的體外細胞黏附性（a）和生物相容性測試（b-f）

圖5：不同孔徑的鎂合金支架組體外促成骨能力測試：（a）堿性磷酸酶染色和(b) 堿性磷酸酶活性測試，(c-d)茜素紅染色及其半定量分析，(e-h) 成骨相關分子蛋白半定量分析結果

三、體內生物降解行為及促成骨能力

        為了研究不同孔徑的鎂合金支架在體內的生物降解行為和促成骨能力，研究團隊進一步進行了兔股骨髁缺損模型的實驗，并以硫酸鈣骨水泥作為對照。結果顯示，在手術后的4周，WE43多孔支架結構仍然清晰可見，表明支架沒有明顯降解，保持了良好的結構完整性。而在骨水泥組中，硫酸鈣骨水泥已完全降解（圖6a）。

        Micro-CT結果顯示，鎂合金支架組的新骨形成量明顯高于對照組，并且P500組的BV/TV、BSA/BV和Tb.N值顯著高于P800和P1400組（圖6b-e）。這說明P500支架具有優越的成骨性能，較持久的結構力學支撐有助于圍關節骨缺損的修復，并具有作為骨科植入物的潛力。對缺損部位進行的硬組織切片結果與Micro-CT結果相一致（圖7）。

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