【引用本文】张剑华, 孙元艺, 郭阿龙, 等.3D 打印含镁生物医用材料用于骨缺损修复研究进展. 中华骨与关节外科杂志, 2021, 14(10): 826-831, 836.
张剑华1 孙元艺1 郭阿龙1 赵宇2 赖毓霄1**
（1.中国科学院深圳先进技术研究院转化医学研究与发展中心，广东深圳518000；2.中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院骨科，北京100730）
* 基金项目：国家重点研发计划-战略性科技创新合作（2021YFE0202600）；中国科学院创新交叉团队项目（JCTD-2020-19）
**通信作者：赖毓霄，E-mail：
摘要:含镁生物材料具有良好的可降解性和生物相容性，作为骨科医疗器械在骨折及骨缺损修复方面具有很好的市场应用前景，但传统制造工艺不能满足其对复杂外形医疗器械的加工制造要求。3D打印技术是一项新型数字化增材制造技术，通过“分层制造、逐层叠加”的方式可以把金属、陶瓷、高分子聚合物等材料快速构建成任意复杂物理结构的3D模型。3D打印含镁生物医用材料结合了先进的材料制造技术和镁优良的生物学性能，在骨科医疗器械领域具有很大的发展潜力。本文就各类3D打印含镁生物医用材料体系及其生物学性能的研究进展进行综述。
【关键词】镁；骨科医疗器械；骨缺损修复；3D打印
[Abstract] Magnesium-based biomaterial generally has good biocompatibility and biodegradability, and is a popular material for fracture healing and bone defect repair. However, most of the traditional manufacturing techniques cannot meet the requirements of complexity for medical devices. 3D printing techniques have shown promise for fabricating 3D scaffolds with different structures and shapes through the precise placement of biomaterials (metal, ceramic and polymer) in a layer-by-layer fashion. 3D printing of magnesium-based biomaterials combines advanced manufacturing techniques and excellent biological properties of magnesium, and has great potential application in the field of clinical orthopedic medical devices. In this article, 3D printing of different magnesium-based biomaterial systems and their biological properties were summarized.
[Key words] Magnesium; Orthopedics Medical Devices; Bone Defect Repair; 3D Printing
前言
镁（Mg，1.74g/cm3）是一种与人体骨密度（1.75g/cm3）基本相当的轻质金属。由于其弹性模量和抗压屈服强度比其他金属植入材料更接近人体骨，镁是与骨具有最好生物力学相容性的金属材料。镁作为人体必需的营养元素，在人体中主要分布于骨骼（53%）、肌肉（27%）、软组织（19.2%）、红细胞（0.5%）和血清（0.3%）中，其含量仅次于钙，钾，钠，排第四位[1]。在人体中，镁降解释放的镁离子通过多个信号通路影响新陈代谢。镁影响的生理功能主要包括以下几个方面：①作为酶的辅助因子影响能量相关代谢；②作为钙的阻抗剂抑制细胞内钙的堆积；③调节骨代谢活动，诱导新骨生成[2]。然而，纯镁或普通镁合金作为骨科植入材料也存在很多问题：首先，降解速率过快无法维持到伤后充分愈合，其降解时间只能维持骨折愈合时间的1/3~1/4；其次，需要处理由于腐蚀而产生气体积聚的问题[3]。进入21世纪后，随着材料生产工艺的不断提高，在生物安全性未受影响的前提下，将镁进行合金化和多样化处理后，其机械性能、抗腐蚀性能、骨诱导性能等得到大幅提高。因而，含镁植入性骨科医疗器械正越来越成为骨科领域研究热点材料之一。含镁生物材料主要包含镁及镁合金、生物陶瓷、生物玻璃和聚合物复合材料，并且在加速骨生成和骨缺损修复方面展现出独特的优势（图1A）[4]。如含镁生物陶瓷、生物玻璃可以调节自身降解速度来匹配新骨生成速度，显示出其作为可降解骨植入医疗器械的潜力。含镁聚合物复合材料通过复合镁和聚合物制备复合材料，不仅可以中和聚合物的酸性降解产物，还可以提高聚合物的成骨性能。然而，由于内部孔隙结构不可控、外形与宿主骨缺损不完全匹配，传统加工工艺制备的3D多孔支架很难满足临床实际需求。3D打印技术可以利用计算机辅助，以支架的计算机辅助设计模型或CT扫描等数据为基础，通过“分层制造、逐层叠加”的方式快速构造出任意复杂物理结构的3D 支架[5]，打印过程见图1B。利用3D打印技术可以构建与缺损骨组织相匹配的复杂外形的3D多孔支架，还可以精确调控支架内部的孔隙结构。配制3D打印墨水时还可以调整材料组分控制支架降解速率与骨再生速率相匹配，或加入生物活性成分促进细胞的成骨分化，从而获得理想的骨修复效果（图1C）。本文就不同3D打印含镁生物医用材料体系及其生物学性能的研究进展进行综述。
1.1 3D 打印镁基金属材料体系
金属镁具有与天然骨相似的机械性能，其植入体内可以释放镁离子，促进成骨反应，同时也可以完全降解成无毒物质排出体外，并已被证明是一种有潜力的骨替代材料。当前镁金属的研究侧重于制备镁合金材料或构建其他保护涂层以增强镁金属的抗腐蚀性能。镁合金主要通过添加不同含量的钙、铝、锶、锌等元素进行冶炼而得到，可以通过调节镁合金的相分布、晶粒尺寸和微观结构，在短期内保持良好的力学性能，而且在一定程度上可以控制生物降解，提高了镁合金的抗腐蚀、力学性能和生物相容性。目前主要的商业镁合金可分为WE 系列（Mg-REZr）、ZK系列（Mg-Zn-Zr）、EZ系列（Mg-RE-Zn）、AM系列（Mg-Al-Mn）、AE 系列（Mg-Al-RE）和AZ 系列（Mg-Al-Zn）[6]。Wang等[7]研究发现Mg-Zn-Sr骨钉表现出优异的机械性能，最大扭矩明显优于高纯镁，这种材料可以提供足够的机械强度，在整个愈合过程中起到固定作用，并有效减轻周围的骨丢失，结果显示这种镁合金骨钉在兔膝关节前交叉韧带重建术后16周内显著增加了骨髓腔周围骨量。
激光金属熔融3D打印技术可以用来制备3D镁及镁合金支架材料，然而由于制备过程中需要特定的高温条件，因而很难同步细胞混合打印和涂层生物活性因子。Yu等[8]采用激光打印技术制备多孔镁合金支架，并构建氟化镁涂层以提高支架的抗腐蚀性能，通过与骨髓间充质干细胞（bone marrow stromal cells, BMSCs）共培养以探讨支架的细胞相容性，结果表明氟化镁涂层多孔镁合金支架具有良好的生物相容性，并能促进BMSCs的增殖活性。最近也有研究人员利用挤出式3D打印技术制备3D支架模具，通过镁及镁合金金属熔融填充支架空隙，最后移除模具材料得到3D多孔镁及其合金金属支架。Kleger等[9]首先配制了盐、表面活性剂和石蜡的打印墨水，利用挤出式3D技术制备了3D支架模具，之后烧结制备盐模具支架通过镁金属高温熔融填充支架孔隙，最后利用盐浸出的方法制备了孔隙可调的3D多孔镁金属支架。
1.2 3D 打印含镁复合材料体系
3D打印含镁复合材料体系通常将含镁材料与高分子聚合物材料进行复合。含镁材料通过释放镁离子一方面降低了炎症细胞因子（白细胞介素-6、白细胞介素-1β、白细胞介素-10）表达，减低巨噬细胞活性，抑制了免疫反应；另一方面镁离子可以促进骨膜干细胞、BMSCs和成骨细胞进行成骨分化达到新骨生成的作用（图2）。由天然或合成聚合物组成的生物聚合物已被广泛开发用于生物医学应用。在3D打印含镁复合材料体系中加入高分子聚合物材料，如聚乳酸（poly lactic acid, PLA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA]，通常作为含镁材料的粘结剂和基体材料。通过3D打印的方法将含镁粉末材料制备成3D支架形状，有利于作为医疗器械材料进行骨缺损修复。同时，复合高分子材料可以提高含镁材料的机械强度和抗腐蚀性能，也可以控制降解速率达到对镁离子的可控释放。大量研究表明，聚合物的酸性降解产物可能造成局部炎症和感染，最终可能导致植入失败，而且大多数高分子聚合物具有机械性能不强、亲水性较弱、生物相容性不高等特点，限制了其在骨修复中的应用。通过与含镁材料的复合，降解产生的氢氧根离子会导致微环境中的pH值升高，因而聚合物的酸性降解可以被含镁材料的碱性降解产物中和，减低了局部炎症和感染的风险。
3D打印含镁复合材料体系中含镁材料主要包括镁金属颗粒、镁二元化合物、含镁生物活性陶瓷和生物活性玻璃。镁二元化合物主要包含氧化镁、过氧化镁、硼化镁、硅化镁等化合物，此类含镁复合材料体系因其具备多功能性成为3D骨修复复合材料体系的研究热点。Lai等[10]通过将PLGA与镁粉、磷酸钙混合，通过3D打印方式制备出具有合适机械性能的可降解骨修复支架（PTM支架），并在兔骨坏死模型中评估了PTM支架的成骨和血管生成特性和植入后的生物安全性。结果表明，添加镁可以缓冲PLGA降解导致的酸性pH，PTM支架同时具有成骨和血管生成能力，在促进新骨生成和增强骨坏死新生骨的质量方面具有协同作用。因此，PTM支架是一种很有前途的骨修复材料，可用于难治愈性骨缺损修复，目前该产品已经获批发明专利作为骨科医疗器械进入临床转化实验研究。
自首次报道磷酸镁基生物陶瓷（magnesium phosphate cement, MPC）的生物医学应用以来，含镁生物陶瓷自20世纪90年代以来一直是热点研究领域[11,12]。含镁生物陶瓷主要包含磷酸镁、磷酸钙镁和硅酸镁化合物。与传统的磷酸钙生物陶瓷相比，MPC具有更短的自凝时间和更高的初始抗压强度，在初始阶段提供了关键的机械支撑。此外，体外和体内实验表明MPC具有良好的生物相容性和更快降解性，同时用镁掺杂磷酸钙可显著增强成骨细胞的附着和生长[13]。Golafshan等[14]制备了磷酸锶镁生物活性陶瓷（Mg-PSr），通过挤出式3D打印方法制备3D Mg-P-Sr/PCL多孔复合支架，研究表明该支架释放镁和锶离子协同促进BMSCs成骨分化为成熟的成骨细胞和诱导羟基磷灰石的沉积，并在马臀部骨缺损模型中发现复合支架可以促进新骨的生成，同时不会引起炎症反应。
2 3D 打印含镁生物医用材料的性能评价
2.1 孔隙率和机械性能
松质骨具有互相连通的多孔性结构，其孔隙率为30%~95%。众所周知，支架多孔化设计可以增加与骨结构的相似性，有利于新组织的长入，但同时减低了支架机械强度。3D含镁生物医用材料作为骨科医疗器械不仅需要足够的机械强度来承受生理重量，同时其机械强度需要与相邻骨组织匹配，避免应力屏蔽导致骨吸收和种植体松动[15]。改变支架孔大小、形状、分布和孔隙率可以影响支架机械性能，如增加孔隙率会降低抗压模量、屈服强度和杨氏模量[16]。Wen等[17,18]制备了3D镁支架材料验证其机械性能与孔径和孔隙率的相关性，结果发现当孔隙率为35%、孔径为250 μm时，其峰值杨氏模量和应力分别为1.8 GPa和17 MPa；而当孔径为73 μm、孔隙率为45%时，其峰值杨氏模量和应力变为1.3 GPa和16 MPa。考虑到松质骨的抗压强度和杨氏模量在0.2~80 MPa 和0.01~2 GPa，3D镁多孔支架正好符合松质骨的机械要求（表1），使得镁适合作为骨科医疗器械材料。
2.2 生物腐蚀性能
将纯镁暴露在空气中会氧化形成一层灰色的氢氧化镁薄膜。研究表明，在生理环境中通过氧化还原反应，镁会发生降解形成氢氧化镁和释放氢气[20,28,29]，具体反应过程如下所示：
氧化反应：Mg→Mg2++2e-
还原反应：2H2O+2e-→H2↑+2OH-
氧化还原反应：Mg2++2OH-→Mg(OH)2
氢氧化镁很难溶于水，氢氧化镁与体液或模拟体液的氯离子之间发生反应产生水溶性的氯化镁。与生物高分子聚合物（如PLA）相比，由于生物腐蚀作用镁植入材料释放的镁离子提高了种植体周围的pH值和有利于生物矿化的沉积，表明镁骨科医疗器械具有一定的骨传导和生物活性[30,31]。通过制备含镁生物陶瓷和镁聚合物复合支架，一方面发生生物矿化形成磷酸钙或磷酸钙镁，促进成骨细胞生长，提供骨传导能力；另外一方面由于生物陶瓷和聚合物的加入降低了镁的腐蚀速率。
2.3 生物相容性
镁为人体必须的营养元素，同时也存在于人体骨组织中。镁虽然具有良好生物相容性，但是含镁植入物释放的镁离子可能会影响周围的细胞和组织，如释放过量镁离子甚至会导致全身中毒。与此同时，镁合金里含有的其他元素（如锶和铝元素）很难排出体外，将会在体内沉积会导致潜在的健康威胁，特别是铝元素需要进一步验证其在体内的生物安全性，因为铝离子有致阿尔茨海默病的潜在风险[31,32]。评价含镁生物医用材料的生物相容性有必要研究其细胞相容性、组织相容性和血液相容性。细胞毒性测试可以给镁离子提供最简单的生物相容性指标。与国际标准组织（international organization for standardization，ISO）制订的细胞毒性标准测试的体外环境相比，含镁医疗器械释放的镁离子会被周围体液稀释并迅速扩散到循环系统中，因此在体外细胞毒性测试中建议稀释含镁植入物的浸体液来模拟体内降解产物浓度[3]。有实验表明，当镁离子浓度在10 mM时对细胞无任何损伤，浓度达到15 mM时也考虑是无毒性的（>75%的细胞活性）[33]。大多数含镁生物材料与各种细胞系具有良好的细胞相容性[34]，包括BMSCs、骨源性细胞、成纤维细胞、骨肉瘤细胞、巨噬细胞和成骨细胞。同时在各种骨植入模型（豚鼠、大鼠和兔股骨、胫骨和尺骨）中表现出良好的细胞、组织相容性和正常异物反应[31,35]，同时镁离子可以刺激血管内皮生长因子、血管生成素和其他重要因子的分泌来促进血管生成[36]。
2.4 成骨活性和骨整合性
成人体内平均含有1000 mmol或约24 g镁，其中一半以上的镁离子储存在骨组织中，镁的推荐膳食摄入量为成年女性320 mg/d，成年男性420 mg/d。人体缺乏镁元素可能会导致很多健康问题，同时镁含量不足与低骨量、骨生长减少、骨质疏松症和骨骼脆性增加有关[37]。Wu等[38]研究了不同镁离子浓度对成骨细胞和破骨细胞的影响，体外研究结果表明一倍和两倍稀释的镁合金浸体液可以促进成骨细胞的增殖分化和抑制破骨细胞分化。在另一项镁离子补充培养基中培养人骨髓间充质细胞的体外实验中表明，当MgSO4 溶液在10 mmol时，细胞外基质的矿化明显增加，X型胶原蛋白和血管内皮生长因子表达显著增加（图2）[34]。在体内成骨实验中（表1），将多孔镁合金AZ91D支架植入兔子体内骨缺损模型中，3个月后支架大部分完全降解，同时未出现骨溶解现象，在支架降解周围检测到纤维囊形成，伴随着新血管生成，以及降解部位被新骨生成代替并向内生长[39]。通过组织染色发现促进了种植体附近的新骨生成和骨吸收，有利于增加骨含量和形成成熟骨组织，表现出更优异的机械性能和骨整合能力[40]。Lai等[10]将3D打印制备的PLGA/TCP/Mg多孔支架植入兔股骨头坏死骨缺损中，与对照组PLGA/TCP 支架相比，8 周后PLGA/TCP/Mg多孔支架组具有更好的促进成骨能力。多孔镁支架表现出良好的生物相容性、抑制炎症反应，以及优异的成骨活性和骨整合性，这使多孔3D含镁生物医用材料成为骨组织工程中理想的生物材料。
3 3D 打印含镁生物医用材料的临床应用进展
部分含镁骨科植入式医疗器械已经在德国和韩国获得转化和临床应用。目前只有镁合金螺钉在临床上得到了应用，3D打印含镁生物医用材料大部分还处于实验室研究或临床研究阶段。2013年，Magmaris加压镁合金螺钉（Syntellix公司，德国，Mg-Y-RE-Zr合金）成为第一个获得欧盟CE认证的镁合金骨内植入物。2015年，KMET螺钉（U&I公司，韩国，Mg-Ca合金）也获得了韩国食品药物监督管理局的批准应用于手部骨折内固定手术中。在国内，含镁植入器械的审批与注册相关政策已经发布，但是可降解含镁器械的耐腐蚀性能、降解速率可控性和体内镁降解风险评估标准都是引起关注的问题，尚无含镁植入骨科医疗器械获得国家药品监督管理局的批准，其中走在前列的有东莞宜安科技公司的镁合金金属螺钉、上海交通大学与沪创医疗科技(上海)有限公司合作的JDBM镁合金骨板和螺钉，以及由中国科学院深圳先进技术研究院和中科569vip威尼斯登录首页科技有限公司联合孵化的3D打印产品含镁高分子可降解骨修复材料，该产品荣获国家药品监督管理局的创新医疗器械特别审批认定，并已完成临床前注册检验，正处于多中心临床试验阶段。
4 小结
镁具有良好的可降解性和生物相容性，含镁生物材料（包括镁及其合金、生物陶瓷和聚合物复合材料）已经广泛研究其作为骨科医疗器械的潜力。每一类含镁材料都有其独特的物理化学特性，同时展现出相似的生物学和骨缺损修复与再生的能力。大量基础研究已验证了镁离子在体外促进细胞增殖分化、体内促进骨再生的重要作用。尽管大部分含镁生物材料的抗腐蚀性能和机械性能都还有待提高，并且限定在非承重骨中的运用，但新型制备方法和医疗器械制备技术为克服上述缺点提供了新的解决途径。3D打印含镁生物复合支架不仅提高了其抗腐蚀性能，还极大提高了其机械性能，拓展了含镁生物材料在骨科医疗器械方面的临床运用。大量研究也在拓展镁的多功能性，如镁离子的抗菌性能和镁纳米颗粒的光热效应[41]。含镁复合材料作为骨替代品，不仅可以促进骨再生，还可以预防骨植入物感染，因为降解产生的镁离子具有杀菌作用。与纯聚合物相比，负载有镁微粒的PLA 复合材料具有更好的抗菌活性，改善炎症反应[3]。镁颗粒还有优异的光热效应，通过光热作用可以拓展其潜在的骨肿瘤治疗功能。3D打印制备含镁生物医用材料因其具有可控的降解速率、材料的安全性、合适的机械性能和多功能特性，相信在骨科医疗器械领域能得到更加广泛的应用。
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以上内容转载自:中华骨与关节外科杂志微信公众号《综述：3D 打印含镁生物医用材料用于骨缺损修复研究进展》