综述概要
生物可降解植入物和支架由于在人体内可降解，避免了二次手术，是近年来的研究热点。除了具备良好的生物相容性以外，植入物和支架还需要满足：1）承受初期载荷，力学性能与周围组织相匹配，避免应力屏蔽效应；2）适当的润湿性和表面粗糙度，新生细胞可附着、增殖和分化；3）多孔网状结构，为细胞生长、氧气和营养物质的扩散以及细胞代谢物的排泄提供足够的渗透性；4）生物降解速率和再吸收速率可控，与细胞/组织生长速率相匹配。铁、锌和镁由于在生物体内可降解、降解产物对人体无*，在生物医学领域引起了研究人员的广泛兴趣。相比于铁和锌，镁的密度和弹性模量与人骨接近，可以促进新组织生长，具有良好的力学性能和生物相容性，是非常有前途的生物医用材料。制备理想的植入物/支架必须充分考虑材料选择、模型设计和制造方法。首先利用计算机辅助，设计出与患者特定的解剖数据相符合的复杂结构多孔支架模型，再通过增材制造(AM)在一定的尺寸精度范围内根据模型制造相应产品。通过该方法开发理想的生物可降解镁支架是目前的主要研究趋势。
近日，来自卡塔尔哈马德·本·哈利法大学的NurettinSezer博士等人整理并分析了增材制造生物可降解镁植入物和支架的相关文献，从材料组成、工艺条件、成型质量、尺寸精度、微观结构、生物降解和力学性能等方面进行了综述，总结了近年来的研究进展，展望了未来的研究方向，以进一步促进增材制造生物可降解镁植入物和支架的临床应用。
尽管镁作为植入材料有许多优点，但其在人体内快速降解会导致氢气析出和局部碱化，不利于伤口愈合。合金化是调控镁降解速率的常用方法。适宜的合金元素种类和含量可以在不影响镁生物相容性和力学性能的前提下，显著提高生物降解性能。研究表明，添加适量的Sr、Nd、Ca等，可以提高镁合金的耐蚀性。目前已经开发出多种镁合金植入物/支架产品，如VeloxCD输尿管支架和冠状动脉支架、用于治疗食管癌的Mg-Zn-Y-Nd支架、纯Mg螺钉、Mg-Al-Zn-Ca-Mn气管支架、Mg-Nd-Zn-Zr神经导管等。
增材制造生物可降解镁支架比传统方法制造的支架具有更优异的力学性能和生物性能。目前常用的增材制造方法主要有选择性激光熔化（SLM）、选择性激光烧结（SLS）、粘结剂喷射、间接工艺等。选择性激光熔化包括快速加热和冷却过程，制备的零件具有均匀的微观结构和显微组织，力学性能和腐蚀性能较为优异。选择性激光烧结由于颗粒部分融化，支架内部存在大量孔隙，导致支架的致密性和力学性能较差，在骨科方面的应用受限。粘结剂喷射包括粉末粘附发生反应和脱粘结两个阶段，制备的支架力学性能较差，不适用于结构件。间接法的工艺较为繁琐，制备的支架孔隙较大，孔隙率较高，不适用于生物医学应用。但间接法工艺无需使用具有挥发性和爆炸性的镁粉，降低了安全隐患。
增材制造生物可降解镁支架的性能与工艺参数（激光光斑直径、输入功率、扫描速度、舱口间距和层厚等）密切相关，如表1所示。扫描速度较低时，粉末和激光束之间的相互作用时间更长，能量传递率更高，零件孔隙率较低，但容易形成热裂纹；扫描速度较高时，颗粒可能不完全熔化，在支架内形成孔隙。通过提高能量密度，使颗粒充分熔化，渗透到孔隙中，可制备高度致密的结构。除工艺参数外，颗粒类型、形貌、尺寸和尺寸分布等对增材制造镁植入物和支架的性能有显著影响（表2）。球形的粉末颗粒流动性较好，制备的零件缺陷较少。选择合适性能的粉末，可以生产出具有较高密度和良好力学性能、生物性能的产品。
表1镁增材制造的工艺参数
表2镁增材制造用的粉末性能
增材制造镁植入物与支架的力学性能、生物性能与成型质量、微观结构息息相关。表3为增材制造镁植入物与支架的成型质量，通过该方法制备的镁合金构件相对密度最高能达到99.9%以上。通过SLM加工的块状金属，相对密度已达到99.5%以上。微观结构对材料的物理性能，如强度、韧性、延展性、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等有显著影响，增材制造镁植入物与支架的微观结构如表4所示。高冷却速度有利于改善植入物和支架的微观组织和物理性能。由于SLM的冷却速度和凝固速度快，制备的植入物和支架具有晶粒细小、固溶增强和组织均匀化的特征，生物性能和力学性能显著改善。然而，增材制造镁植入物和支架通常存在内应力、组织不均匀、高孔隙率和表面粗糙等问题，这可能恶化力学性能。因此，为了提高支架的生产质量，需要进行热处理和表面处理（等离子喷涂、物理或化学气相沉积、溶胶-凝胶等）。
表3增材制造镁基生物材料的成型质量
表4增材制造镁的微观结构特征
增材制造镁植入物与支架的生物降解性能与力学性能分别如表5和表6所示。通过SLM制备的植入物和支架晶粒细小、组织均匀，生物降解性能显著提高。当向合金中添加Nd、Al和二氧化硅颗粒时，由于SLM工艺的熔化速度和冷却速度快，第二相和金属间化合物分布均匀，促进了合金表面形成致密的膜层，支架的生物降解性能提高。植入物和支架在临床应用中要承受初期载荷，需要具备合适的硬度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、塑形、韧性等力学性能。当植入物/支架的弹性模量与周围组织的不匹配时，会发生应力屏蔽，导致骨萎缩，最终导致植入物/支架松动和过早失效。通过在材料中引入β相、增大孔隙率可以调整弹性模量，使其与人骨的相匹配。但孔隙率的增加会对抗压强度和生物降解性能产生不利影响。通过拓扑优化，可以在给定边界条件（如特定孔隙率）下，实现多目标（最优几何形状、最大刚度、强度、渗透性、良好的力学性能和生物性能）的植入物/支架设计。
表5增材制造镁植入物/支架的生物降解性能
表6增材制造镁植入物/支架的力学性能
目前，增材制造技术仍面临一些问题，如镁粉极易剧烈蒸发和具有高化学反应活性等。由于镁粉的高比表面积，极易发生强烈的放热反应和严重的粉尘爆炸，存在安全隐患。此外，粉末性能和加工条件对成型质量、尺寸精度、微观结构、生物性能和力学性能有显著影响，而目前关于粉末性能和加工条件对SLM工艺能量效率的影响研究较为缺乏。支架拓扑结构设计对于新细胞的附着、增殖和分化过程有重要影响，未来需要进一步比较不同晶体结构、孔隙率和孔隙拓扑对性能的影响，以获取性能最佳的支架设计。由于支架在体内的生物性能可能与体外不同，对于增材制造镁植入物/支架的体内生物降解性能有必要开展进一步的研究。
文章发表
该文章发表在《JournalofMagnesiumandAlloys》年第9卷第2期：
[1]NurettinSezer,ZaferEvis,MuammerKo?.Additivemanufacturingofbiodegradablemagnesiumimplantsandscaffolds:Reviewoftherecentadvancesandresearchtrends[J].JournalofMagnesiumandAlloys,,9(2):-.
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