浙江大學新研究：利用光固化3D打印可釋放抗生素的骨釘植入物
時間：2025-07-12 10:33 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年7月11日，江大學和臺州學院的研究人員開發出了結合結構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 (SLA) 制作定制骨釘，由注入頭孢曲松鈉的牙科樹脂復合材料制成，頭孢曲松鈉是一種常用于預防手術期間感染的抗生素。
這項研究以題為“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”的論文發表在《自然科學報告》上。
用于骨修復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，解決了這兩個問題。該設計采用市售的Anycubic Photon和Mono X 3D 打印機制造，凸顯了醫療環境中便捷、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。圖片來自浙江大學。
將結構與藥物輸送相結合
為了制造植入物，研究團隊首先開發了一種定制樹脂配方。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 光引發劑，以實現紫外線固化。
研究人員使用 SolidWorks 軟件設計了植入物，并以 50 微米的分辨率逐層打印。打印完成后，對部件進行后固化，以確保其完全硬化。電子顯微鏡圖像顯示，植入物外層致密堅固，具有良好的機械強度，而內部則保持多孔結構，非常適合儲存和緩慢釋放抗生素。
測試表明，這些植入物能夠承受非承重骨修復所需范圍內的力，例如面部或顱骨。此外，還對植入物進行了三種不同抗生素濃度（1%、5% 和 10%）的測試，并使用聚乙二醇 (PEG) 幫助藥物在樹脂中分散。較低濃度的藥物分散更均勻，而較高濃度的藥物會形成一些晶體，但不會影響其性能。
藥物釋放和抗菌作用
在實驗室測試中，藥物釋放遵循兩階段模式：最初24小時內快速釋放，隨后緩慢持續擴散。在最高濃度下，約80%的抗生素在三天內釋放。研究人員還發現，打印過程中的固化時間會影響藥物的釋放速度。較長的固化時間會形成更致密的表面，從而減慢藥物的釋放速度。
這些植入物針對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌等常見病原體進行了測試。所有植入物均表現出明顯的抗菌效果，在八小時內抑制了約50%的微生物生長。
為了測試植入物在生物環境下的表現，研究小組將L929成纖維細胞暴露于細菌感染環境中。載有藥物的植入物幫助細胞存活，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，植入物在細胞毒性試驗中仍保持了70%以上的細胞活力，符合ISO 10993-5標準。盡管樹脂中的一種成分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險。
雖然結果令人鼓舞，但這項研究仍處于早期階段。這些植入物尚未在活體生物體中進行測試，還需要開展更多研究來觀察其在長期和實際條件下的表現。未來的研究將側重于動物實驗、結合不同藥物以改善愈合效果，以及尋找預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）、由光固化樹脂制備的半空心植入物（C）。圖片來自浙江大學。
通過植入物輸送藥物
與傳統方法相比，3D打印植入物給藥方式能夠提供更佳的控制性、靶向釋放和患者個性化定制。雖然該領域尚未成為主流，但它是一個新興的研究領域，在癌癥治療、骨科和感染管理等領域擁有廣闊的發展潛力。
為此，美國西南研究所(SwRI) 和德克薩斯大學圣安東尼奧分校(UTSA) 的研究人員開發了一種 3D 打印植入物，旨在在數周內輸送可控劑量的藥物。該植入物由可生物降解材料制成，治療后會逐漸溶解，無需手術移除。
該裝置旨在通過直接在治療部位釋放藥物來治療感染、癌癥、關節炎和艾滋病等疾病，包括觸發針對腫瘤反應的局部免疫療法。通過個性化劑量和限制全身副作用，該裝置提供了一種有針對性的替代每日用藥或靜脈注射療法的方法。此外，該項目由Connect項目資助。
此外，貝爾法斯特女王大學的研究人員利用智能材料開發了4D打印乳房植入物，這些材料可以根據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性化定制，為乳腺癌患者提供更具針對性且侵入性更低的治療方法。
(責任編輯：admin)
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