3D打印技术制备复杂形态骨科金属植入物具有快速、高效的特点，而钛及钛合金是目前3D打印金属植入物最常用的原材料。3D打印多孔钛及钛合金假体具有生物相容性好、高比强度、低弹性模量的特点，相关临床试验证明其支撑可靠，骨修复效果良好。钽金属具有与钛金属类似的理化性质，相关研究显示其具有良好的骨诱导性。近年来，3D打印技术制备个性化多孔钽金属假体也越来越被关注，但现有相关研究仍有限。本文通过对既往国内外关于多孔钛和多孔钽的研究报道进行回顾，从制造工艺、机械性能、生物相容性、表面改性、骨整合效应和临床应用及钛合金方面对两类多孔金属的性能进行比较，同时展望了多孔钛和多孔钽相关骨科个性化置入产品在未来的应用前景。

目的:探讨骨置入物表面仿生矿化微纳拓扑结构载碘涂层的抗菌与成骨性能。方法:首先，在钛合金（Ti6Al4V）片表面通过碱热反应构建钛酸氢钠的纤维网状结构，标记为碱蚀（AT）组；然后，在改良模拟体液中仿生矿化形成高比表面积的微纳拓扑结构，标记为碱蚀后仿生矿化（AT-CaP）组；最后，负载聚乙烯吡咯烷酮碘（PVPI）构建新型抗菌骨整合涂层，标记为碱蚀后仿生矿化载碘（AT-CaP-PVPI）组。每组3次平行实验，在涂层表面观察金黄色葡萄球菌的形貌和数量，检测其体外抗菌性能。取15只SD雄性大鼠，随机分为3组（ n=5）：AT组、AT-CaP组、AT-CaP-PVPI组，在大鼠股骨下端髓腔内注射金黄色葡萄球菌后，分别置入经AT、AT-CaP及AT-CaP-PVPI涂层处理的钛棒。比较3组大鼠术后4周股骨置入物表面的成骨状态、新生骨量体积比及骨小梁数目等。 结果:体外实验结果显示：AT组和AT-CaP组涂层表面细菌保持其固有的椭圆球形或圆球形，细菌处于良好的存活状态；而AT-CaP-PVPI组涂层表面细菌出现膜变形凹陷，有些细菌已经完全破裂、溶解，大量细菌死亡。体内实验结果显示：AT组置入物周围几乎无新生骨形成；AT-CaP组置入物周围散在分布新生骨，但是新生骨分布不连续；AT-CaP-PVPI组置入物周围可见大量新生骨，且新生骨分布均匀，无感染迹象。AT-CaP-PVPI组置入物表面新生骨量体积比和骨小梁数目分别为0.453±0.206和6.055±0.536，均显著高于AT组（0.046±0.028、1.667±1.249）和AT-CaP组（0.188±0.052、3.804±0.889），差异均有统计学意义（ P<0.05）。 结论:置入物表面仿生矿化微纳拓扑结构载碘涂层具有较强的抗菌能力和较好的骨整合活性。

背景:钛及其合金因出色的生物相容性、耐腐蚀性、力学性能被广泛应用于骨科内植物中,但其本身拥有生物惰性不能为成骨细胞提供良好的生长环境,较难形成良好的骨整合.目的:在钛合金支架表面构建甲基丙烯酰化明胶和聚丙烯酰胺复合水凝胶材料,分析其体外促成骨能力.方法:将甲基丙烯酰化明胶与丙烯酰胺混合,加入交联剂与催化剂合成甲基丙烯酰化明胶-聚丙烯酰胺(Gelma-PAAM)水凝胶.将经亲和硅烷表面改性后的钛合金支架分别与甲基丙烯酰化明胶(Gelma)水凝胶、Gelma-PAAM水凝胶混合,完成负载(分别记为Ti-Gelma、Ti-Gelma-PAAM),比较支架表面两种水凝胶的溶胀比、降解率,通过扫描电镜观察水凝胶与钛合金的结合状态.将大鼠骨髓间充质干细胞分别接种于单纯钛合金支架、Ti-Gelma支架、Ti-Gelma-PAAM支架中,检测细胞增殖、黏附及成骨分化能力.结果与结论:①与Gelma水凝胶相比,Gelma-PAAM复合水凝胶具有更高的溶胀比与更低的降解率;②扫描电镜下可见两种水凝胶表面为蜂窝状结构,与多孔钛合金支架结合后呈膜样包裹于支架表面并充斥孔隙,其中Gelma-PAAM复合水凝胶包裹支架得更充分;③CCK-8检测与活-死荧光染色显示,与Ti-Gelma、Ti-Gelma-PAAM支架共培养后的骨髓间充质干细胞增殖良好并保持较高的活性;成骨诱导培养后,单纯钛合金支架组细胞碱性磷酸酶活性、钙沉积量与成骨基因表达量最低,Ti-Gelma-PAAM组细胞碱性磷酸酶活性、钙沉积量与成骨基因表达量最高;④鬼笔环肽骨架染色显示,单纯钛合金支架组、Ti-Gelma组细胞稀疏、伸展不够充分,Ti-Gelma-PAAM组细胞伸展充分、肌动蛋白丝致密;⑤结果表明,Gelma-PAAM水凝胶具有良好的生物相容性与促成骨能力,较Gelma水凝胶更适宜用于钛合金金属表面的促成骨改性.

背景:在众多金属植入物表面改性技术中,微弧氧化技术因操作方便、成本低且能有效调整表面涂层的微观结构和元素而得到广泛关注.目的:总结微弧氧化技术在不同材料表面制备氧化涂层的理化性能及生物活性的研究进展.方法:应用计算机检索PubMed和Web of Science数据库中有关于微弧氧化技术对医用金属生物活性影响的文献,英文检索词为"MAO、micro-arc oxidation、osseointegration、mechanical property、biological activity、angiogenesis、fibrogenesis",检索时间范围是2016年1月至2022年12月.根据纳入与排除标准,最终纳入82篇文献进行综述.结果与结论:微弧氧化技术是一种极具潜力的表面改性技术,可以极大提高种植体植入的成功率,也可以广泛应用于其他领域,具体原因如下:①微弧氧化技术在材料表面形成特殊多孔形貌,可以优化其耐磨性、耐腐蚀性等机械性能,降低镁合金的降解速率;②微弧氧化技术可以通过在材料多孔形貌中掺入锶、羟基磷灰石和其他金属或非金属物质,辅助提高其成骨分化、血管生成、纤维生成等生物活性,改善钛和钛合金生物惰性的缺点.

钛及钛合金种植体广泛应用于牙列缺损和缺失的修复.骨质疏松患者由于种植体骨结合不良和初期稳定性不佳,存在较高的失败风险.因此,探究骨质疏松状态下如何促进种植体骨结合具有重要的临床意义.近年来关于骨质疏松状态下不同种植体表面涂层改性的研究主要可分为无机材料、生物分子、金属材料、中药类涂层以及具有治疗效果的药物涂层五大类.各类涂层改性的作用机制和生物学效果不尽相同,本文将对骨质疏松状态下不同种植体表面涂层改性技术对种植体骨结合的影响进行分析综述.

背景:微弧氧化处理可提高钛合金植入体的生物学性能.目前研究多集中于钛合金片材,有关微弧氧化改性处理后3D多孔钛合金支架对细胞生长及分化的影响鲜有报道.目的:研究微弧氧化表面改性对3D打印多孔钛合金支架表面细胞生物学性能的影响.方法:将大鼠骨髓间充质干细胞分别接种于微弧氧化处理Ti6Al4V合金三维支架(实验组)与未经微弧氧化处理Ti6Al4V合金三维支架(对照组)上,培养4,7 d,进行扫描电镜观察、细胞骨架染色分析及细胞活力分析;培养4,7,11 d,检测细胞上清液中碱性磷酸酶和骨钙素水平;培养1,4,7,11 d,MTT法检测细胞增殖.结果与结论:①培养4,7 d时,live/dead染色显示骨髓间充质干细胞在两组材料上生长良好;细胞骨架染色分析显示,实验组细胞骨架呈立体多角形,对照组支架表面的细胞以扁平梭形状沿支架宏观结构铺展;扫描电镜显示,实验组细胞排列较为紧密,细胞伸展状态良好,细胞间的板状伪足与丝状伪足交叉连接,以锚状结构牢固地黏附于材料表面;对照组细胞伪足间的连接较少,细胞外基质较少,平铺在材料表面生长;②随着培养时间的延长,两组细胞上清液中碱性磷酸酶与骨钙素水平逐渐升高;实验组培养7,11 d的碱性磷酸酶水平高于对照组(P < 0.05),培养11 d的骨钙素水平高于对照组(P < 0.05);③MTT检测显示,随着培养时间的延长,两组细胞数量逐渐增加;实验组培养7,11 d的细胞数量明显多于对照组(P < 0.05);④结果表明,微弧氧化处理后的钛合金支架更有利于细胞的黏附、增殖与分化.

背景:采用各种表面改性方法提高医用钛及钛合金植入物的骨整合,是目前人工关节假体领域研究的重点之一.目的:在纯钛表面制备掺硅二氧化锆膜,研究其对成骨样MG63细胞相关因子的影响.方法:采用磁过滤真空阴极弧沉积技术在纯钛表面分别制备掺硅二氧化锆膜与二氧化锆膜.将成骨样MG63细胞分别接种于掺硅二氧化锆膜、二氧化锆膜及纯钛片表面,接种后第1,4,7,10天,以定量RT-PCR法检测细胞骨保护素和核因子κB受体活化因子配体基因表达情况,ELISA检测细胞分泌骨保护素和核因子κB受体活化因子配体蛋白量.结果与结论:①接种第1天,3组骨保护素基因及蛋白表达无差异;接种第4天,掺硅二氧化锆膜组、二氧化锆膜组骨保护素基因及蛋白表达高于纯钛组(P<0.05),掺硅二氧化锆膜组、二氧化锆膜组骨保护素基因及蛋白表达无差异;接种第7,10天,掺硅二氧化锆膜组骨保护素基因及蛋白表达高于二氧化锆膜组、纯钛组(P<0.05);②接种第1天,3组核因子κB受体活化因子配体基因及蛋白表达无差异;接种第4,7天,掺硅二氧化锆膜组核因子κB受体活化因子配体基因及蛋白表达低于二氧化锆膜组、纯钛组(P<0.05);接种第10天,掺硅二氧化锆膜组、二氧化锆膜组基因及蛋白表达低于纯钛组(P<0.05),掺硅二氧化锆膜组、二氧化锆膜组骨保护素基因及蛋白表达无差异;③结果表明,在纯钛表面阴极弧沉积掺硅二氧化锆膜,能够上调成骨样MG63细胞内骨保护素表达水平,同时下调核因子κB受体活化因子配体表达水平.

骨科内植物一旦植入体内,患者将面临发生感染的风险.感染是骨科内植物植入失败的主要原因之一,且在开放性骨折手术治疗中较为常见.临床上内固定术后骨折不愈合并不少见,通常需要二次甚至多次手术干预,对患者身心及经济造成严重负担.巨噬细胞聚集、活化使其在内植物周围局部浓度增高,可提高内植物/组织界面免疫功能,从而发挥预防或治疗感染的作用.此外,对钛及其合金表面进行改性,并负载抗生素或生物活性物质,也可发挥治疗或预防感染及骨折不愈合等作用.本文对目前国内外关于钛及钛合金植入物表面改性的抗感染与促进骨折愈合的研究现状进行综述,为构建同时具备抗感染与促进骨折愈合能力的骨科植入物材料提供参考.

背景:钛合金长期以来被用作可植入的生物材料,通过在其表面制备二氧化钛纳米管层可提高材料表面与骨的接触面积,然而将硅元素注入纳米管层表面是否可以进一步提高材料生物活性,有待进一步研究.目的:探讨钛表面含硅二氧化钛纳米管层对成骨细胞MC3T3-E1细胞活性的影响,为医用钛金属生物管层的改良提供实验依据.方法:利用阳极氧化法技术在钛表面制备二氧化钛纳米管层,采用等离子体浸没离子植入和沉积法,将硅离子沉积在二氧化钛纳米管层表面(实验组),以二氧化钛纳米管层为阳性对照组,光滑钛片作为阴性对照组.用扫描电镜观察各组形貌,X射线衍射仪测定各组元素组成.3组管层表面分别种植MC3T3-E1细胞,检测第1,3及5天各组细胞黏附铺展、增殖情况,第7天各组细胞相关基因的表达及第3,4周各组细胞的钙沉积情况.结果与结论:①扫描电镜下显示硅元素的加入没有改变管层的表面形貌,且第1天仅实验组细胞上可以观察到有丝状伪足扩展,第3天丝状伪足活性增加并开始合并,第5天丝状网络结构较其他两组明显增多;②X射线衍射仪显示实验组出现了对应为硅元素特征峰;③MTS法显示培养第1,3天,黏附于实验组及阳性对照组表面的细胞数量比阴性对照组显著增多,第5天,实验组上的细胞增殖显著高于对其他2组(P<0.05);④实时定量RT-PCR检测结果显示7 d时实验组中成骨相关基因Ⅰ型胶原蛋白,碱性磷酸酶,Runx2,骨钙素和骨桥蛋白基因表达均高于对照组(P<0.05);⑤第3,4周实验组和阳性对照组上的细胞与阴性对照组相比钙矿物结节形成明显升高,第4周含实验组沉积的钙矿物比其他2组显著增加(P<0.05);⑥结果提示,二氧化钛纳米管层可以通过等离子体浸没离子植入和沉积法加载硅离子并具备良好的成骨活性.

目的 研究新型唑来膦酸-纳米微球(ZOL-NPs)多孔钛合金支架的构建方法及其载药释放规律.方法 采用计算机辅助设计和电子束熔融(CAD/EBM)技术制备多孔钛合金支架,采用改良二次凝聚法制备明胶纳米微球,复合唑来膦酸、明胶纳米微球、多孔钛合金支架构建ZOL-NPs多孔钛合金支架,并进行生物力学、载药量、载药释放测试.结果 制备的明胶纳米微球在水溶液中粒径为(269.5±84.6)nm,粒径表现呈正态分布.扫描电子显微镜下观察到ZOL-NPs均匀复合于支架表面及孔隙内.ZOL-NPs多孔钛合金支架的弹性模量为1.85 GPa,总载药量为(0.285±0.038) μmol,载药率为71.3％.ZOL-NPs多孔钛合金支架第1天体外药物释放量达到总载药量的10％左右,第2天开始药物释放量趋于平稳,缓慢均匀释放,第2天至第28天释放总载药量的29％左右,药物释放周期超过1个月.结论 新型ZOL-NPs多孔钛合金支架有效解决了普通金属置人物弹性模量与人体不匹配的问题,载药率高,具有良好体外缓释作用.