研究人员专为医疗植入物开发抗感染金属3D打印技术

2023 年 11 月 22 日

     2023年11月21日,华盛顿州立大学研究团队成功研发新型外科植入物,实验室测试表明,该植入物能够在杀死导致葡萄球菌感染的细菌方面达到87%的效果,同时保持与周围组织的良好兼容性和坚固性。

△华盛顿州立大学的研究人员测试了新型3D打印材料的抗疲劳性
      该论文的通讯作者、华盛顿州立大学机械与材料工程学院波音特聘教授Amit Bandyopadhyay表示:“感染一直是一个我们尚未找到解决方案的问题。在许多情况下,植入物无法有效抵御感染。我们需要寻找一种材料,其本身具备对抗感染的固有能力,而不仅仅依赖基于药物的感染控制。这项研究探讨了如何通过改变材料本身,使其具备固有的抗菌反应。”


传统金属材料作为植入物的弊端

用于髋关节和膝关节置换以及其它外科植入物的钛材料是50多年前开发的,但不太适合克服感染。尽管外科医生通常在手术前使用抗生素进行治疗,但危及生命的感染可能会在手术后立即发生,或在几周或几个月后作为继发感染发生。一旦感染在植入物上形成一层模糊的细薄膜,医生就会尝试用全身抗生素进行治疗。然而,在大约7%的种植手术病例中,医生必须进行翻修手术,移除种植体、清洁该区域、添加抗生素并植入另一个种植体。

△所有结构均在基于3D Systems的SLM的粉末床熔融(PBF)系统上进行制造

华盛顿州立大学的研究人员利用3D打印技术,在通常用于植入物的钛合金中添加了10%的钽(一种耐腐蚀金属)和3%的铜。当细菌接触到材料的铜表面时,几乎所有的细胞壁都会破裂。同时,钽可以促进周围骨骼和组织的健康细胞生长,从而加快患者的康复。研究人员花了三年时间对其植入物进行了全面研究,在实验室和动物模型中评估了其机械性能、生物学和抗菌反应。他们还研究了其磨损情况,以确保植入物中的金属离子不会磨损并移动到附近的组织中,从而导致毒性。

△Ti3Al2V-Cu-Ta合金对早期骨整合的协同抗菌功效和增强的生物相容性示意图。这些植入物通过多材料增材制造制造,可赋予持续的细菌耐药性,同时通过增强的生物相容性实现早期骨形成

在CpTi中添加10wt.%Ta可以显着改善Ti合金的生物反应

通过利用与增材制造相关的固有材料灵活性,从而使材料设计能够纳入细菌耐药性的功能。

该团队通过使用金属3D打印以物理方式预混合等重量比例的CpTi和Ti6Al4V粉末来制造 Ti3Al2V,以评估加工的致密和多孔零件的机械和生物响应。随后,采用多材料增材制造将 Ti3Al2V与2和3 wt.% Cu合金化,以进行抗菌功效评估。

△该研究成果已发表在《国际极限制造杂志》上,预计将在未来为多种常见手术,如髋关节和膝关节置换术等,提供更有效的感染控制手段(传送门)

该校西屋电气杰出教授Susmita Bose说:“这种多功能设备的最大优点是可以用它来控制感染以及良好的骨组织整合。因为感染是当今外科领域的一个大问题,如果有任何多功能设备能够同时完成这两件事,那么没有什么比它更好的了。”

研究人员正在继续这项工作,希望在不影响组织整合的情况下,将细菌死亡率提高到99%以上的标准。他们还希望确保这些材料,在患者可能使用的现实负载条件下提供良好的性能,例如,在膝关节置换的情况下进行徒步旅行。

研究人员正在与华盛顿州立大学商业化办公室合作,并已申请了临时专利。这项工作由美国国立卫生研究院资助,并与斯坦福大学和华盛顿州立大学兽医学院的研究人员合作。

返回前页