摘要
含鎂生物材料具有良好的可降解性和生物相容性，作為骨科醫療器械在骨折及骨缺損修復方面具有很好的市場應用前景，但傳統制造工藝不能滿足其對復雜外形醫療器械的加工制造要求。3D打印技術是一項新型數字化增材制造技術，通過“分層制造、逐層疊加”的方式可以把金屬、陶瓷、高分子聚合物等材料快速構建成任意復雜物理結構的3D模型。3D打印含鎂生物醫用材料結合了先進的材料制造技術和鎂優良的生物學性能，在骨科醫療器械領域具有很大的發展潛力。本文就各類3D打印含鎂生物醫用材料體系及其生物學性能的研究進展進行綜述。
鎂（Mg，1.74 g/cm3）是一種與人體骨密度（1.75 g/cm3）基本相當的輕質金屬。由于其彈性模量和抗壓屈服強度比其他金屬植入材料更接近人體骨，鎂是與骨具有最好生物力學相容性的金屬材料。鎂作為人體必需的營養元素，在人體中主要分布于骨骼（53%）、肌肉（27%）、軟組織（19.2%）、紅細胞（0.5%）和血清（0.3%）中，其含量僅次于鈣，鉀，鈉，排第四位。在人體中，鎂降解釋放的鎂離子通過多個信號通路影響新陳代謝。
鎂影響的生理功能主要包括以下幾個方面：①作為酶的輔助因子影響能量相關代謝；②作為鈣的阻抗劑抑制細胞內鈣的堆積；③調節骨代謝活動，誘導新骨生成。
然而，純鎂或普通鎂合金作為骨科植入材料也存在很多問題：首先，降解速率過快無法維持到傷后充分愈合，其降解時間只能維持骨折愈合時間的 1/3~1/4；其次，需要處理由于腐蝕而產生氣體積聚的問題。進入 21世紀后，隨著材料生產工藝的不斷提高，在生物安全性未受影響的前提下，將鎂進行合金化和多樣化處理后，其機械性能、抗腐蝕性能、骨誘導性能等得到大幅提高。因而，含鎂植入性骨科醫療器械正越來越成為骨科領域研究熱點材料之一。含鎂生物材料主要包含鎂及鎂合金、生物陶瓷、生物玻璃和聚合物復合材料，并且在加速骨生成和骨缺損修復方面展現出獨特的優勢（圖 1A）。如含鎂生物陶瓷、生物玻璃可以調節自身降解速度來匹配新骨生成速度，顯示出其作為可降解骨植入醫療器械的潛力。含鎂聚合物復合材料通過復合鎂和聚合物制備復合材料，不僅可以中和聚合物的酸性降解產物，還可以提高聚合物的成骨性能。然而，由于內部孔隙結構不可控、外形與宿主骨缺損不完全匹配，傳統加工工藝制備的 3D 多孔支架很難滿足臨床實際需求。3D打印技術可以利用計算機輔助，以支架的計算機輔助設計模型或CT掃描等數據為基礎，通過“分層制造、逐層疊加”的方式快速構造出任意復雜物理結構的3D支架，打印過程見圖1B。利用3D打印技術可以構建與缺損骨組織相匹配的復雜外形的3D多孔支架，還可以精確調控支架內部的孔隙結構。配制 3D打印墨水時還可以調整材料組分控制支架降解速率與骨再生速率相匹配，或加入生物活性成分促進細胞的成骨分化，從而獲得理想的骨修復效果（圖1C）。本文就不同3D打印含鎂生物醫用材料體系及其生物學性能的研究進展進行綜述。
3D打印含鎂生物醫用材料體系
1.1 、3D打印鎂基金屬材料體系
金屬鎂具有與天然骨相似的機械性能，其植入體內可以釋放鎂離子，促進成骨反應，同時也可以完全降解成無毒物質排出體外，并已被證明是一種有潛力的骨替代材料。當前鎂金屬的研究側重于制備鎂合金材料或構建其他保護涂層以增強鎂金屬的抗腐蝕性能。鎂合金主要通過添加不同含量的鈣、鋁、鍶、鋅等元素進行冶煉而得到，可以通過調節鎂合金的相分布、晶粒尺寸和微觀結構，在短期內保持良好的力學性能，而且在一定程度上可以控制生物降解，提高了鎂合金的抗腐蝕、力學性能和生物相容性。目前主要的商業鎂合金可分為 WE 系列（Mg-RE-Zr）、ZK 系列（Mg-Zn-Zr）、EZ 系列（Mg-RE-Zn）、AM系列（Mg-Al-Mn）、AE 系列（Mg-Al-RE）和 AZ 系列（Mg-Al-Zn）。Wang 等研究發現 Mg-Zn-Sr 骨釘表現出優異的機械性能，最大扭矩明顯優于高純鎂，這種材料可以提供足夠的機械強度，在整個愈合過程中起到固定作用，并有效減輕周圍的骨丟失，結果顯示這種鎂合金骨釘在兔膝關節前交叉韌帶重建術后16周內顯著增加了骨髓腔周圍骨量。
激光金屬熔融 3D 打印技術可以用來制備 3D 鎂及鎂合金支架材料，然而由于制備過程中需要特定的高溫條件，因而很難同步細胞混合打印和涂層生物活性因子。Yu 等采用激光打印技術制備多孔鎂合金支架，并構建氟化鎂涂層以提高支架的抗腐蝕性能，通過與骨髓間充質干細胞（bone marrow stromalcells, BMSCs）共培養以探討支架的細胞相容性，結果表明氟化鎂涂層多孔鎂合金支架具有良好的生物相容性，并能促進BMSCs的增殖活性。最近也有研究人員利用擠出式 3D 打印技術制備 3D 支架模具，通過鎂及鎂合金金屬熔融填充支架空隙，最后移除模具材料得到3D多孔鎂及其合金金屬支架。Kleger等首先配制了鹽、表面活性劑和石蠟的打印墨水，利用擠出式3D 技術制備了 3D 支架模具，之后燒結制備鹽模具支架通過鎂金屬高溫熔融填充支架孔隙，最后利用鹽浸出的方法制備了孔隙可調的3D多孔鎂金屬支架。
1.2 、3D打印含鎂復合材料體系
3D 打印含鎂復合材料體系通常將含鎂材料與高分子聚合物材料進行復合。含鎂材料通過釋放鎂離子一方面降低了炎癥細胞因子（白細胞介素-6、白細胞介素-1β、白細胞介素-10）表達，減低巨噬細胞活性，抑制了免疫反應；另一方面鎂離子可以促進骨膜干細胞、BMSCs和成骨細胞進行成骨分化達到新骨生成的作用（圖2）。由天然或合成聚合物組成的生物聚合物已被廣泛開發用于生物醫學應用。在 3D打印含鎂復合材料體系中加入高分子聚合物材料，如聚乳酸（poly lactic acid, PLA）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA]，通常作為含鎂材料的粘結劑和基體材料。通過 3D打印的方法將含鎂粉末材料制備成 3D 支架形狀，有利于作為醫療器械材料進行骨缺損修復。同時，復合高分子材料可以提高含鎂材料的機械強度和抗腐蝕性能，也可以控制降解速率達到對鎂離子的可控釋放。大量研究表明，聚合物的酸性降解產物可能造成局部炎癥和感染，最終可能導致植入失敗，而且大多數高分子聚合物具有機械性能不強、親水性較弱、生物相容性不高等特點，限制了其在骨修復中的應用。通過與含鎂材料的復合，降解產生的氫氧根離子會導致微環境中的 pH值升高，因而聚合物的酸性降解可以被含鎂材料的堿性降解產物中和，減低了局部炎癥和感染的風險。
3D 打印含鎂復合材料體系中含鎂材料主要包括鎂金屬顆粒、鎂二元化合物、含鎂生物活性陶瓷和生物活性玻璃。鎂二元化合物主要包含氧化鎂、過氧化鎂、硼化鎂、硅化鎂等化合物，此類含鎂復合材料體系因其具備多功能性成為3D骨修復復合材料體系的研究熱點。Lai等通過將PLGA與鎂粉、磷酸鈣混合，通過3D打印方式制備出具有合適機械性能的可降解骨修復支架（PTM支架），并在兔骨壞死模型中評估了PTM支架的成骨和血管生成特性和植入后的生物安全性。結果表明，添加鎂可以緩沖PLGA降解導致的酸性pH，PTM支架同時具有成骨和血管生成能力，在促進新骨生成和增強骨壞死新生骨的質量方面具有協同作用。因此，PTM支架是一種很有前途的骨修復材料，可用于難治愈性骨缺損修復，目前該產品已經獲批發明專利作為骨科醫療器械進入臨床轉化實驗研究。
自首次報道磷酸鎂基生物陶瓷（magnesium phos?phate cement, MPC）的生物醫學應用以來，含鎂生物陶瓷自 20世紀 90年代以來一直是熱點研究領域。含鎂生物陶瓷主要包含磷酸鎂、磷酸鈣鎂和硅酸鎂化合物。與傳統的磷酸鈣生物陶瓷相比，MPC 具有更短的自凝時間和更高的初始抗壓強度，在初始階段提供了關鍵的機械支撐。此外，體外和體內實驗表明MPC具有良好的生物相容性和更快降解性，同時用鎂摻雜磷酸鈣可顯著增強成骨細胞的附著和生長。Golafshan 等制備了磷酸鍶鎂生物活性陶瓷（Mg-P-Sr），通過擠出式3D打印方法制備3D Mg-P-Sr/PCL多孔復合支架，研究表明該支架釋放鎂和鍶離子協同促進 BMSCs 成骨分化為成熟的成骨細胞和誘導羥基磷灰石的沉積，并在馬臀部骨缺損模型中發現復合支架可以促進新骨的生成，同時不會引起炎癥反應。
1.3、孔隙率和機械性能
松質骨具有互相連通的多孔性結構，其孔隙率為30%~95%。眾所周知，支架多孔化設計可以增加與骨結構的相似性，有利于新組織的長入，但同時減低了支架機械強度。3D含鎂生物醫用材料作為骨科醫療器械不僅需要足夠的機械強度來承受生理重量，同時其機械強度需要與相鄰骨組織匹配，避免應力屏蔽導致骨吸收和種植體松動。改變支架孔大小、形狀、分布和孔隙率可以影響支架機械性能，如增加孔隙率會降低抗壓模量、屈服強度和楊氏模量。Wen等制備了3D鎂支架材料驗證其機械性能與孔徑和孔隙率的相關性，結果發現當孔隙率為 35%、孔徑為250μm時，其峰值楊氏模量和應力分別為1.8GPa和17 MPa；而當孔徑為73μm、孔隙率為45%時，其峰值楊氏模量和應力變為1.3GPa和16 MPa。考慮到松質骨的抗壓強度和楊氏模量在0.2~80 MPa和0.01~2 GPa，3D鎂多孔支架正好符合松質骨的機械要求（表1），使得鎂適合作為骨科醫療器械材料。
1.4、生物腐蝕性能
將純鎂暴露在空氣中會氧化形成一層灰色的氫氧化鎂薄膜。研究表明，在生理環境中通過氧化還原反應，鎂會發生降解形成氫氧化鎂和釋放氫氣，具體反應過程如下所示：
氧化反應：Mg→Mg2++2e-
還原反應：2H2O+2e-→H2↑+2OH-
氧化還原反應：Mg2++2OH-→Mg(OH)2
氫氧化鎂很難溶于水，氫氧化鎂與體液或模擬體液的氯離子之間發生反應產生水溶性的氯化鎂。與生物高分子聚合物（如 PLA）相比，由于生物腐蝕作用鎂植入材料釋放的鎂離子提高了種植體周圍的 pH值和有利于生物礦化的沉積，表明鎂骨科醫療器械具有一定的骨傳導和生物活性。通過制備含鎂生物陶瓷和鎂聚合物復合支架，一方面發生生物礦化形成磷酸鈣或磷酸鈣鎂，促進成骨細胞生長，提供骨傳導能力；另外一方面由于生物陶瓷和聚合物的加入降低了鎂的腐蝕速率。
1.5、生物相容性
鎂為人體必需的營養元素，同時也存在于人體骨組織中。鎂雖然具有良好生物相容性，但是含鎂植入物釋放的鎂離子可能會影響周圍的細胞和組織，如釋放過量鎂離子甚至會導致全身中毒。與此同時，鎂合金里含有的其他元素（如鍶和鋁元素）很難排出體外，將會在體內沉積會導致潛在的健康威脅，特別是鋁元素需要進一步驗證其在體內的生物安全性，因為鋁離子有致阿爾茨海默病的潛在風險。評價含鎂生物醫用材料的生物相容性有必要研究其細胞相容性、組織相容性和血液相容性。細胞毒性測試可以給鎂離子提供最簡單的生物相容性指標。與國際標準組織（international organization forstandardization，ISO）制訂的細胞毒性標準測試的體外環境相比，含鎂醫療器械釋放的鎂離子會被周圍體液稀釋并迅速擴散到循環系統中，因此在體外細胞毒性測試中建議稀釋含鎂植入物的浸體液來模擬體內降解產物濃度。有實驗表明，當鎂離子濃度在10 mM 時對細胞無任何損傷，濃度達到 15 mM時也考慮是無毒性的（>75% 的細胞活性）。大多數含鎂生物材料與各種細胞系具有良好的細胞相容性，包括BMSCs、骨源性細胞、成纖維細胞、骨肉瘤細胞、巨噬細胞和成骨細胞。同時在各種骨植入模型（豚鼠、大鼠和兔股骨、脛骨和尺骨）中表現出良好的細胞、組織相容性和正常異物反應，同時鎂離子可以刺激血管內皮生長因子、血管生成素和其他重要因子的分泌來促進血管生成。
1.6、成骨活性和骨整合性
成人體內平均含有1000 mmol 或約24 g鎂，其中一半以上的鎂離子儲存在骨組織中，鎂的推薦膳食攝入量為成年女性320 mg/d，成年男性 420 mg/d。人體缺乏鎂元素可能會導致很多健康問題，同時鎂含量不足與低骨量、骨生長減少、骨質疏松癥和骨骼脆性增加有關。Wu等研究了不同鎂離子濃度對成骨細胞和破骨細胞的影響，體外研究結果表明一倍和兩倍稀釋的鎂合金浸體液可以促進成骨細胞的增殖分化和抑制破骨細胞分化。在另一項鎂離子補充培養基中培養人骨髓間充質細胞的體外實驗中表明，當MgSO4溶液在10 mmol 時，細胞外基質的礦化明顯增加，X型膠原蛋白和血管內皮生長因子表達顯著增加（圖2）。在體內成骨實驗中（表1），將多孔鎂合金AZ91D支架植入兔子體內骨缺損模型中，3個月后支架大部分完全降解，同時未出現骨溶解現象，在支架降解周圍檢測到纖維囊形成，伴隨著新血管生成，以及降解部位被新骨生成代替并向內生長。通過組織染色發現促進了種植體附近的新骨生成和骨吸收，有利于增加骨含量和形成成熟骨組織，表現出更優異的機械性能和骨整合能力。Lai等將3D打印制備的 PLGA/TCP/Mg多孔支架植入兔股骨頭壞死骨缺損中，與對照組PLGA/TCP 支架相比，8周后PLGA/TCP/Mg多孔支架組具有更好的促進成骨能力。多孔鎂支架表現出良好的生物相容性、抑制炎癥反應，以及優異的成骨活性和骨整合性，這使多孔3D含鎂生物醫用材料成為骨組織工程中理想的生物材料。
3D打印含鎂生物醫用材料的臨床應用進展
部分含鎂骨科植入式醫療器械已經在德國和韓國獲得轉化和臨床應用。目前只有鎂合金螺釘在臨床上得到了應用，3D打印含鎂生物醫用材料大部分還處于實驗室研究或臨床研究階段。2013年，Magmaris加壓鎂合金螺釘（Syntellix 公司，德國，Mg-Y-RE-Zr合金）成為第一個獲得歐盟CE認證的鎂合金骨內植入物。2015年，KMET螺釘（U&I公司，韓國，Mg-Ca合金）也獲得了韓國食品藥物監督管理局的批準應用于手部骨折內固定手術中。在國內，含鎂植入器械的審批與注冊相關政策已經發布，但是可降解含鎂器械的耐腐蝕性能、降解速率可控性和體內鎂降解風險評估標準都是引起關注的問題，尚無含鎂植入骨科醫療器械獲得國家藥品監督管理局的批準，其中走在前列的有東莞宜安科技公司的鎂合金金屬螺釘、上海交通大學與滬創醫療科技(上海)有限公司合作的 JDBM 鎂合金骨板和螺釘，以及由中國科學院深圳先進技術研究院和中科精誠醫學科技有限公司聯合孵化的3D打印產品含鎂高分子可降解骨修復材料，該產品榮獲國家藥品監督管理局的創新醫療器械特別審批認定，并已完成臨床前注冊檢驗，正處于多中心臨床試驗階段。
小結
鎂具有良好的可降解性和生物相容性，含鎂生物材料（包括鎂及其合金、生物陶瓷和聚合物復合材料）已經廣泛研究其作為骨科醫療器械的潛力。每一類含鎂材料都有其獨特的物理化學特性，同時展現出相似的生物學和骨缺損修復與再生的能力。大量基礎研究已驗證了鎂離子在體外促進細胞增殖分化、體內促進骨再生的重要作用。盡管大部分含鎂生物材料的抗腐蝕性能和機械性能都還有待提高，并且限定在非承重骨中的運用，但新型制備方法和醫療器械制備技術為克服上述缺點提供了新的解決途徑。3D打印含鎂生物復合支架不僅提高了其抗腐蝕性能，還極大提高了其機械性能，拓展了含鎂生物材料在骨科醫療器械方面的臨床運用。大量研究也在拓展鎂的多功能性，如鎂離子的抗菌性能和鎂納米顆粒的光熱效應。含鎂復合材料作為骨替代品，不僅可以促進骨再生，還可以預防骨植入物感染，因為降解產生的鎂離子具有殺菌作用。與純聚合物相比，負載有鎂微粒的 PLA復合材料具有更好的抗菌活性，改善炎癥反應。鎂顆粒還有優異的光熱效應，通過光熱作用可以拓展其潛在的骨腫瘤治療功能。3D打印制備含鎂生物醫用材料因其具有可控的降解速率、材料的安全性、合適的機械性能和多功能特性，相信在骨科醫療器械領域能得到更加廣泛的應用。
