3D打印骨植入物實(shí)現(xiàn)定制化抗生素釋放，助力骨修復(fù)與感染防控

南極熊導(dǎo)讀：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?br />

△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

2025年7月12日，南極熊獲悉，浙江大學(xué)與臺(tái)州學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，成功開(kāi)發(fā)出一種結(jié)合結(jié)構(gòu)支撐與靶向抗生素輸送功能的3D打印骨固定植入物，為骨科植入物的功能性與生物相容性提升帶來(lái)新進(jìn)展。

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。這項(xiàng)研究通過(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。研究使用了市售的Anycubic Photon和Mono X 3D打印機(jī)，凸顯了醫(yī)療環(huán)境中便捷、可定制制造的潛力。

△相關(guān)成果已發(fā)表于《Scientific Reports》期刊，研究題目為“3D打印骨釘裝載頭孢曲松鈉用于局部藥物輸送”（傳送門(mén)）

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。該配方中還添加了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，以確保植入物完全硬化。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)影響植入物性能。

△啞鈴形樣品尺寸圖（A）、采用Solidworks軟件設(shè)計(jì)的各種植入物（B）、由光固化樹(shù)脂制備的半空心植入物（C）

藥物釋放和抗菌作用

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，體外藥物釋放實(shí)驗(yàn)顯示，植入物表現(xiàn)出典型的兩階段釋放模式：前24小時(shí)快速釋放，隨后緩慢持續(xù)擴(kuò)散。最高濃度下，三天內(nèi)釋放約80%抗生素。研究人員還發(fā)現(xiàn)，固化時(shí)間對(duì)釋放速率有顯著影響，固化越充分，藥物釋放越緩慢。

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。

△機(jī)械性能和3D打印半空心植入物

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)。

團(tuán)隊(duì)指出，這項(xiàng)研究目前仍處于早期階段，尚需進(jìn)一步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及長(zhǎng)期體內(nèi)評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證這種3D打印植入物在實(shí)際臨床環(huán)境下的表現(xiàn)。未來(lái)工作將聚焦多藥物聯(lián)合釋放、促進(jìn)骨愈合及抗生素耐藥性防控等方向。總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究展示了3D打印技術(shù)在定制化、功能化骨科植入物領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療和智能制造深度融合。