近期，清华大学温鹏，北医三院田耘，北京大学郑玉峰在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上联合发表研究论文：激光增材制造WE43可降解镁合金骨植入物工艺优化及体内外生物降解行为。利用优化能量和扫描策略，制备出致密度超过99.5%，尺寸误差小于10%的高质量多孔支架，对微观组织，力学性能，生物相容性、降解行为和成骨能力进行体内外表征。多孔镁支架植入兔股骨1个月发生坍塌，3个月全降解周期内表现出良好生物相容性和优异促成骨效果，预示只要控制好早期降解，增材制造WE43镁合金骨植入物临床应用值得期待。

01 研究内容简介

全球每年约有300万例骨缺损修复手术，全球骨植入物市场到2025年将增长至666亿美元。增材制造技术为精准修复骨缺损带来技术革命，将生物可降解金属与增材制造相结合，制备“生物活性可降解”及“定制化结构”的个性化骨植入物成为骨缺损治疗的发展前沿。然而，镁合金活性高，蒸发倾向大，已有研究制备的镁合金支架存在较多的成形缺陷，影响了生物学评价的客观稳定性，同时缺乏综合的体内外评价结果。

图1为本文的研究概要图，利用激光粉末床熔融增材制造工艺 (LPBF)制备了具有定制化宏微观结构的WE43生物可降解镁合金多孔支架，针对增材制造工艺对成形质量的影响，多孔支架的微观组织以及细胞相容性，体内外降解行为和体内促成骨能力进行研究，旨在为激光增材制造生物可降解镁合金的临床应用奠定基础，解决骨缺损精准治疗面临的临床难题。

图1：本文的研究概要

一、WE43镁合金多孔支架的LPBF制备及显微组织分析

研究团队发现，使用LPBF工艺制备WE43镁合金，当激光能量输入较高时，支架存在严重的尺寸成形误差，降低激光能量可以有效控制尺寸误差，但造成未熔合缺陷，如何兼顾成形精度和熔合质量成为镁合金激光增材制造的难题。研究团队提出了定制化能量配合尺寸缩进扫描策略的优化工艺。首先确定获得良好熔合质量的激光能量输入，在此基础上，根据该能量输入导致的体积膨胀量，适当减少填充扫描区域（即尺寸缩进），最后使用轮廓扫描提高尺寸精度。使用优化工艺前后的支架表面形貌、横截面、尺寸误差和相对致密度结果如图2所示。采用优化工艺后，多孔支架的内部致密，没有气孔和未熔合缺陷，不同杆径截面致密度均超过99.5%， 设计孔隙率和实际孔隙率的误差低于10%，成功实现了WE43镁合金多孔支架的高质量激光增材制造。

图2：不同杆径多孔支架的外观和横截面照片以及支架横截面致密度和孔隙率误差：(a–d) 300 μm, (e–h) 400 μm, (i–l) 500 μm

对增材制造WE43多孔支架的微观组织进行表征，结果如图3所示。WE43支架内部存在大量弥散分布的二次相，大块二次相(图3-b)主要为Y2O3和少量夹杂Zr的(Y,Zr)2O3，晶界处析出相为Mg14(Nd,Gd)2Y(图3-c)，晶内析出相为Mg41RE5(图3-d)。氧化物由WE43镁合金粉体表面的氧化膜造成，大量的Mg-RE析出相则与增材制造逐层堆积反复加热的物理过程相关。

图3：WE43镁合金多孔支架的微观组织: (a) SEM 形貌; (b-d) TEM 形貌; (e-g) 面元素分布

二、体内外生物降解行为及促成骨能力

使用Hanks模拟体液对WE43多孔支架进行体外浸泡，结果如图4所示。WE43多孔镁支架浸泡10 h后结构即发生明显破坏；浸泡8 h后降解速度明显加快，最大析氢速率达到4.26 ml/cm2⋅h；浸泡16 h 后，支架结构完全溶解消失，pH值稳定后维持在10以上。根据XRD分析，降解产物主要是Mg(OH)2。增材制造WE43多孔镁支架体外降解速度过快的原因主要是大量析出的Mg14(Nd,Gd)2Y和Mg41RE5相与镁基体形成原电池，造成的电偶腐蚀，同时多孔支架较大的比表面积也加快了降解。

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图4: WE43多孔支架Hanks模拟体液体外浸泡结果：(a) 宏观形貌; (b) 析氢率; (c) 失重率; (d) pH; (e) 降解产物XRD 分析

将WE43多孔镁支架植入到大兔股骨内，并设置骨水泥组和空白对照组进行对比。对WE43支架植入12周后血常规和重要脏器切片进行观察，均表现正常，无不良反应。植入4，8，12周后的Micro-CT照片如图5所示。植入4周后，支架发生明显降解，失去结构完整性，说明降解速率过快，无法实现早期力学支撑；在骨髓腔内观察到大量降解产物氢气泡，可能会造成局部炎症。相比骨水泥组和空白对照组，镁支架组的骨缺损处出现明显的新骨生成，表明镁支架降解带来促成骨效果。从图6所示的支架组骨缺损处横截面的硬组织切片中可以更直观地观察到成骨情况。植入8周后，镁支架结构已降解至无法辨识，新生骨长入到空腔内部；支架植入12周后，镁支架完全降解，在骨缺损处出现了大量新生骨，此时已无法观察到氢气，说明氢气可自行扩散。尽管现有结果表明增材制造WE43镁支架的降解速率相比骨重建周期过快，但在全降解周期内表现出良好的生物相容性和优异的促成骨效果。通过表面处理等手段，只要控制好早期降解，增材制造WE43镁合金骨植入物的临床应用值得期待。

图5：WE43支架组、骨水泥组和对照组植入后不同时间点的Micro-CT扫描结果，黄圈为股骨髁预设缺损区域

图6：支架组骨缺损处在4, 8, 12周时亚甲基蓝/酸性品红溶液染色结果