研究利用生物3D打印机创建骨骼支架

3D打印技术在医疗领域取得的进步令人惊叹，特别是在生物打印方面，创造了许多不同的技术和材料。现在，新加坡的研究人员正在探索镁合金在制造脚手架中的应用，其研究通过利用生物3D打印机在毛细管介导的无粘合剂中添加镁、锌、 锆、等合金。

镁是一种可用于组织工程的第三代生物材料，然而却存在着无数的挑战。正如研究人员指出的，镁对氧气的高亲和力和低沸点温度处理，以及可能和其他化学品发生反应，在处理镁粉时这些问题是必须仔细考虑的。

在超固相液相烧结5小时，在不同温度下烧结的样品的SEM显微照片

高蒸气压也是阻碍使用镁的主要挑战之一，导致研究人员必须在适温的条件下进行探索。因为在适温的条件下，就不需要添加多余的支撑，并且粉末也可以完全再循环利用。在这里，研究人员创造了一种新的3D打印技术，包括烧结工艺，将镁粉和绿色物体转化为可用于脚手架的功能部件，生产具有与人体骨骼一样强大的机械性能的部件。

研究团队为这项研究定制了自己的喷墨3D打印机，努力克服以前使用镁的挑战。将氧气百分比维持在可能的最低水平。研究人员表示：“在低水平的绿色物体中保存氧气表明了镁基合金AM配制溶剂的良好前景。”

3D打印的绿色样品在烧结后的成分中完全没有变化，这意味着它是一个“烧结零成分的过程”。但是，随着温度变化，密度和稳定性都受到影响。研究人员表示，尺寸精度是另一个至关重要的因素，并且在3D打印过程中也会造成偏差的影响。膨胀也可能引起实质性问题，导致打印物的形状损失，在烧结温度从595℃升高到610℃时都会出现。膨胀还会干扰组件的功能。

在535℃至610℃的不同温度下烧结5小时后的样品

在继续研究其他特征时，研究人员发现密度随温度升高而增加。在研究保持时间对物理和机械性能的影响时，他们还发现即使密度变高，强度也可能很低。总的来说，为了克服创建支架所需的挑战，必须存在机械完整性，以及平衡的刚度和强度。

研究人员说： “支架的机械性能可影响细胞行为和宿主组织与支架之间的骨整合，如果支架提供足够的机械支撑，可能会发生软骨下骨骨缺损的过早塌陷。因此，应调整支架的刚度和强度以与宿主组织的刚度和强度相匹配，以避免术后应力屏蔽效应并促进组织再生。”

健康支架表现出良好的孔隙百分比、大小、形状、骨整合、以及营养物运输组织向内生长和废物去除。随着这些有序的进程的发展，骨组织再生是可能的。

研究人员表示：“镁基合金在临床结果方面被归类为第三代生物材料，烧结后毛细管介导的无粘合剂3D打印镁部件可以提供与骨相当的特性。”在他们的论文中，研究人员更多地解释了人类皮质骨的结构，这是一个三种尺寸等级的组织，包括：

1、Haversian和Volkmann血管直径在40到100μm之间

2、骨细胞缺陷，大小在10到30μm之间

3、导管直径约为几十纳米

孔隙度问题可以处理，因为在3D打印中产生较大的孔以补偿所需的百分比，从而精炼支架以用于骨架更好的组织工程。

在573℃的最佳烧结温度下，将保持时间从5h增加到20,40和60h，可以在每个额外的保持时间内显着改善微观结构，物理和机械性能，同时避免不希望的尺寸损失。研究人员总结说：“实现了相互连通的开孔结构，其孔隙率为29％，平均孔径为15μm，抗压强度为174MPa，弹性模量为18GPa，这些值与人类皮质骨类型的值相当。”

今天3D打印技术与医疗领域之间存在着巨大的发展势头，许多不同类型的医疗植入物慢慢的改善患者的生活质量，从面部植入物到促进膝关节置换的那些，今后随着各种生物材料的不断扩大，组织工程将会处在3D打印的最前沿。