骨科植入物，如钛合金假体，因其优异的机械性能、生物相容性和耐腐蚀性而成为首选材料。然而，这些材料的表面通常是生物学上惰性的，难以与骨组织形成牢固的结合，这限制了它们的整合效率和速度。因此，通过表面功能化和修饰来增强钛合金植入物的生物活性，已成为研究的热点。
随着3D打印技术的发展，3D打印钛合金植入物在医学领域的应用越来越广泛。3D打印技术能够制造复杂的形状和定制的植入物，为骨科植入提供了显著的优势，包括更好的贴合和功能修复。此外，通过控制3D打印参数，可以精确控制植入物的内部和外部结构，创建具有不同孔径和孔隙率的支架，以优化细胞附着、增殖和组织生长。
同济大学蔡明团队研究了一种新型的3D打印钛合金微孔支架，通过将去铁霉素（Deferoxamine, DFO）整合到矿化胶原基的海藻酸钠复合水凝胶中，以增强植入物的生物活性和促进骨整合。DFO作为一种HIF-1α稳定剂，通过激活HIF-1α信号通路，促进血管生成和骨生成，从而增强植入物的稳定性和骨整合。这项研究提供了一种新的方法，通过在植入物表面引入生物活性分子，以改善骨整合和血管生成，为骨科植入物的设计和应用提供了新的视角。
1.主要内容
图1 方案示意图
该方案涉及了矿化胶原的合成、海藻酸钠-矿化胶原（SA-MC）的制备、3D打印钛合金微孔支架的制备以及DFO的整合。首先，通过特定的化学过程合成矿化胶原，然后将其与海藻酸钠结合形成复合水凝胶。接着，将这种水凝胶填充到3D打印的钛合金微孔支架的孔隙中，最终形成具有DFO功能的复合支架（cTi-DFO）。这种DFO功能化的支架旨在增强金属植入物与骨界面的整合，通过促进骨组织生长和血管生成来提高植入物的稳定性。
图2 3D打印钛合金支架（eTi）和功能性海藻酸钠基胶原复合水凝胶涂层支架（cTi-DFO）的制备过程和特性
图中详细呈现了支架的形态特征，包括粗糙的表面微观结构，这是通过电子束熔化技术制造的微米级粗糙度，有助于细胞附着。揭示了DFO水凝胶如何均匀填充并覆盖支架的孔隙，显示出良好的生物相容性和药物载荷能力。此外，还包含了能量色散X射线光谱（EDS）分析，证实了DFO与钛合金支架的成功结合。通过扫描电子显微镜（SEM）图像，观察到支架的微观结构和水凝胶涂层的均匀性，而X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析则揭示了水凝胶的化学结构。
图3 成骨诱导对骨髓间充质干细胞（BMSCs）的作用
如图3所示，展示了体外培养条件下BMSCs的成骨活性，包括ALP（碱性磷酸酶）染色和定量分析、ARS（阿利萨红S）染色观察矿化结节形成、免疫荧光染色检测Runx2蛋白表达，以及RT-qPCR分析ALP、Runx2和OPN（骨桥蛋白）基因表达，结果表明cTi-DFO组（DFO功能化的钛合金支架）显著增强了BMSCs的成骨分化，促进了骨质疏松缺陷的骨再生。
图4 人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中诱导血管生成
研究表明，cTi-DFO组的细胞迁移率显著高于其他组，尤其是与Con和eTi组相比，DFO的加入显著增强了cTi的趋化性。此外，cTi-DFO组在与HUVECs共培养后显示出最长的管状结构长度，表明DFO功能化的钛植入物有效增强了支架的血管生成活性，并促进了体外管状结构的形成。创伤愈合实验结果显示，cTi-DFO组的愈合面积显著大于其他组，表明cTi-DFO显著促进了HUVEC迁移和管状结构形成。这些结果表明DFO能有效增强支架系统的血管生成能力，直接促进血管生成。
图5 缺陷部位微型CT分析
如图5所示，展示了通过Micro-CT分析得到的12周后植入物周围的骨组织再生情况，包括3D重建图像和定量分析结果，显示cTi-DFO组（结合了DFO功能的钛合金支架）在新骨形成、骨组织体积/总组织体积（BV/TV）、骨密度、小梁厚度（Tb.Th）、小梁数量（Tb.N）和骨小梁间距（Tb.Sp）方面均优于其他组，表明DFO功能化的钛合金支架能显著促进骨整合和骨组织成熟。此外，通过推压测试（Push-out mechanical test）评估了植入物与骨组织界面的结合强度，结果显示cTi-DFO组展现出最高的结合强度，进一步证实了DFO功能化能显著增强植入物的早期和长期稳定性。
图6 术后12周骨缺损部位的组织学分析
通过组织学评估方法展示了植入物周围新骨组织的形成情况，其中Masson染色、HE染色和VG染色结果显示cTi-DFO组（结合了DFO功能的钛合金支架）在新骨成熟度、骨组织密度以及骨组织向支架内部的渗透方面均表现最佳，表明DFO功能化能显著促进骨整合和骨组织在支架内部的生长。免疫组化和免疫荧光分析进一步证实了cTi-DFO组在调节骨和血管生长相关蛋白（如BMP-2和CD31）的表达方面具有活性，从而在体内成功刺激了骨和血管的生长。
2.全文总结
本文研究了一种新型的DFO功能化海藻酸盐-胶原复合水凝胶涂层的钛合金支架，该支架通过促进成骨和血管生成来增强金属植入物与骨界面的整合。通过体外细胞实验和体内动物模型实验，研究证实了该复合材料能够显著提升骨整合效果，表现为提高新骨形成、改善骨组织成熟度和增强骨组织向支架内部的渗透。此外，DFO的缓释功能在促进局部骨缺损的骨和血管生长方面显示出协同效应，从而增强了植入物的早期和长期稳定性，为开发新型骨科植入材料提供了理论和实验依据。
文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2024.122944
