浙江大學(xué)新研究：利用光固化3D打印可釋放抗生素的骨釘植入物

2025年7月11日，南極熊獲悉，浙江大學(xué)和臺(tái)州學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出了結(jié)合結(jié)構(gòu)支撐和靶向抗生素輸送的3D 打印骨固定植入物。研究人員使用立體光刻技術(shù) (SLA) 制作定制骨釘，由注入頭孢曲松鈉的牙科樹(shù)脂復(fù)合材料制成，頭孢曲松鈉是一種常用于預(yù)防手術(shù)期間感染的抗生素。

這項(xiàng)研究以題為“3D printed bone nails loadedwith ceftriaxone sodium for localized drug delivery/3D打印骨釘裝載頭孢曲松鈉用于局部藥物輸送”的論文發(fā)表在《自然科學(xué)報(bào)告》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-025-09748-8

用于骨修復(fù)的骨科植入物通常因生物相容性差或治療功能不足而受到限制。，通過(guò)引入一種不僅能支撐骨骼愈合，還能控制植入部位感染的植入物，解決了這兩個(gè)問(wèn)題。該設(shè)計(jì)采用市售的Anycubic Photon和Mono X 3D 打印機(jī)制造，凸顯了醫(yī)療環(huán)境中便捷、可定制制造的潛力。

3D打印植入物的SEM圖像：(a)和(b)為垂直剖面圖，(c)和(d)為橫截面圖。圖片來(lái)自浙江大學(xué)。

將結(jié)構(gòu)與藥物輸送相結(jié)合

為了制造植入物，研究團(tuán)隊(duì)首先開(kāi)發(fā)了一種定制樹(shù)脂配方。他們將乙氧基化雙酚A二甲基丙烯酸酯 (BPA2EODMA) 與三乙二醇二甲基丙烯酸酯 (TEGDMA) 以 7:3 的比例混合，這是兼具強(qiáng)度和打印性能的最佳混合比例。配方中還添加了 1% 的 TPO 光引發(fā)劑，以實(shí)現(xiàn)紫外線固化。

研究人員使用 SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)了植入物，并以 50 微米的分辨率逐層打印。打印完成后，對(duì)部件進(jìn)行后固化，以確保其完全硬化。電子顯微鏡圖像顯示，植入物外層致密堅(jiān)固，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，而內(nèi)部則保持多孔結(jié)構(gòu)，非常適合儲(chǔ)存和緩慢釋放抗生素。

測(cè)試表明，這些植入物能夠承受非承重骨修復(fù)所需范圍內(nèi)的力，例如面部或顱骨。此外，還對(duì)植入物進(jìn)行了三種不同抗生素濃度（1%、5% 和 10%）的測(cè)試，并使用聚乙二醇 (PEG) 幫助藥物在樹(shù)脂中分散。較低濃度的藥物分散更均勻，而較高濃度的藥物會(huì)形成一些晶體，但不會(huì)影響其性能。

藥物釋放和抗菌作用

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，藥物釋放遵循兩階段模式：最初24小時(shí)內(nèi)快速釋放，隨后緩慢持續(xù)擴(kuò)散。在最高濃度下，約80%的抗生素在三天內(nèi)釋放。研究人員還發(fā)現(xiàn)，打印過(guò)程中的固化時(shí)間會(huì)影響藥物的釋放速度。較長(zhǎng)的固化時(shí)間會(huì)形成更致密的表面，從而減慢藥物的釋放速度。

這些植入物針對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌等常見(jiàn)病原體進(jìn)行了測(cè)試。所有植入物均表現(xiàn)出明顯的抗菌效果，在八小時(shí)內(nèi)抑制了約50%的微生物生長(zhǎng)。

為了測(cè)試植入物在生物環(huán)境下的表現(xiàn)，研究小組將L929成纖維細(xì)胞暴露于細(xì)菌感染環(huán)境中。載有藥物的植入物幫助細(xì)胞存活，存活率與直接使用抗生素相似。

即使在全濃度提取物濃度下，植入物在細(xì)胞毒性試驗(yàn)中仍保持了70%以上的細(xì)胞活力，符合ISO 10993-5標(biāo)準(zhǔn)。盡管樹(shù)脂中的一種成分TPO在高劑量下可能有毒，但低濃度使用和完全固化工藝似乎可以降低任何重大風(fēng)險(xiǎn)。

雖然結(jié)果令人鼓舞，但這項(xiàng)研究仍處于早期階段。這些植入物尚未在活體生物體中進(jìn)行測(cè)試，還需要開(kāi)展更多研究來(lái)觀察其在長(zhǎng)期和實(shí)際條件下的表現(xiàn)。未來(lái)的研究將側(cè)重于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、結(jié)合不同藥物以改善愈合效果，以及尋找預(yù)防抗生素耐藥性的方法。

啞鈴形樣品尺寸圖（A）、用于 3D 打印的各種支架的Solidworks 圖紙（B）、由光固化樹(shù)脂制備的半空心植入物（C）。圖片來(lái)自浙江大學(xué)。

通過(guò)植入物輸送藥物

與傳統(tǒng)方法相比，3D打印植入物給藥方式能夠提供更佳的控制性、靶向釋放和患者個(gè)性化定制。雖然該領(lǐng)域尚未成為主流，但它是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，在癌癥治療、骨科和感染管理等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/div>

為此，美國(guó)西南研究所(SwRI) 和德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校(UTSA) 的研究人員開(kāi)發(fā)了一種 3D 打印植入物，旨在在數(shù)周內(nèi)輸送可控劑量的藥物。該植入物由可生物降解材料制成，治療后會(huì)逐漸溶解，無(wú)需手術(shù)移除。

該裝置旨在通過(guò)直接在治療部位釋放藥物來(lái)治療感染、癌癥、關(guān)節(jié)炎和艾滋病等疾病，包括觸發(fā)針對(duì)腫瘤反應(yīng)的局部免疫療法。通過(guò)個(gè)性化劑量和限制全身副作用，該裝置提供了一種有針對(duì)性的替代每日用藥或靜脈注射療法的方法。此外，該項(xiàng)目由Connect項(xiàng)目資助。

此外，貝爾法斯特女王大學(xué)的研究人員利用智能材料開(kāi)發(fā)了4D打印乳房植入物，這些材料可以根據(jù)pH值和溫度等身體狀況改變形狀。該植入物采用Cellink Bio X打印機(jī)以及羧甲基纖維素和纖維素納米晶體的混合物制成，并裝載了化療藥物阿霉素，用于局部釋放藥物。

這些植入物旨在擴(kuò)張并貼合患者的組織腔體，從而改善貼合度、美觀效果和癌癥管理。MRI和 CAT 掃描等影像工具可用于個(gè)性化定制，為乳腺癌患者提供更具針對(duì)性且侵入性更低的治療方法。