锌生物材料的增材制造

南京航空航天大学和多家合作机构的研究人员正在推进使用增材制造技术生产用于生物降解医疗植入物的锌基生物材料。由于需要能在体内自然降解的临时植入物，从而消除与长期金属保留相关的风险，该团队研究了选择性激光熔融（SLM）和粘合剂喷射方法，将锌和氧化锌粉末加工成患者特异性支架，用于骨组织再生。他们的研究结果发表在《生物材料学报》（Acta Biomaterialia）上，证明了制造具有定制降解率和机械性能的多孔锌结构的可行性。

这项研究解决了通过增材制造锌结构的关键难题，包括金属的低沸点、高反射率和易氧化性。尽管锌作为一种可生物降解的生物活性材料很有吸引力，但这些特性一直使激光加工变得复杂，从而限制了锌在承重生物医学应用中的使用。

锌作为新一代可生物降解金属

锌的腐蚀速度比镁慢，但比铁快很多，因此在临床相关的时间范围内，锌是理想的生物降解材料。锌还具有固有的抗菌特性，并在成骨过程中发挥作用。然而，传统的制造工艺难以生产出适合骨质内生长的复杂多孔锌支架。

增材制造技术能够制造出患者特异的、基于晶格的植入体，并能对孔隙几何形状、支柱厚度和内部结构进行精细控制。在这项研究中，SLM被用来将锌粉加工成多孔结构，而喷墨打印氧化锌后的后处理步骤包括烧结和还原成金属锌。这两种方法都显示出克服传统制造的设计限制的潜力，对整形外科和颅面植入物的设计具有重要意义。

优化锌加工的参数

SLM加工需要进行微调，以缓解蒸发和减少键孔形成造成的孔隙。作者认为，将锌与镁、钙或银等元素进行合金化可改善打印性能、机械性能和降解行为。通过优化参数，研究小组获得了抗压强度在松质骨范围内的支架，以及可促进血管生成和细胞迁移的相互连接的孔。

基于喷墨的自动成型技术提供了另一种途径，尤其适用于生产具有更精细特征分辨率的低密度结构。不过，它也带来了与收缩和烧结引起的缺陷有关的挑战。尽管存在这些问题，这两种增材制造方法都能制造出细胞相容性支架，支持体外细胞附着和增殖，达到了生物相容性的初步基准。

实现临床转化和定制植入物

论文将锌设备定位为临时骨固定、负载分担支架和生物降解支架的候选材料。与永久性金属植入物不同，这些装置会在体内逐渐降解，从而降低长期并发症的风险，并消除手术切除的需要。快速成型制造的数字化设计灵活性进一步支持了患者特定解剖数据的整合，有可能缩短恢复时间并改善治疗效果。

展望未来，作者强调需要进一步进行体内测试和合金开发，以调整降解率和生物功能。混合增材制造战略，如将喷墨打印牺牲模板与SLM叠加相结合，可实现功能分级材料和复合结构。

生物可降解植入物方面的进展

最近，用于生物可降解医疗植入物的锌基生物材料的三维打印技术取得了进展，这凸显了人们对利用增材制造技术制造患者专用的生物可吸收金属植入物的兴趣与日俱增。这一趋势是生物可吸收金属增材制造领域更广泛研究的一部分，研究人员正在探索镁、铁和锌等材料，以开发可在体内安全降解的植入体。

代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）的工程师们利用基于挤压的三维打印技术制造出了由多孔铁制成的可生物降解骨植入物，这就是一个相关的例子。与锌类似，多孔铁也是可生物降解的，具有作为临时骨替代物的潜力，这种替代物会随着新骨的再生而降解，从而降低与永久性金属植入物相关的长期炎症风险。代尔夫特团队专门开发了一种基于挤压的装置，以克服与块状铁的低生物降解率有关的挑战，从而获得了生物可降解性更强且机械性能适合骨愈合的多孔结构。

亚琛工业大学开展的研究是另一项值得关注的进展，该校科学家一直在利用激光粉末床熔融（PBF-LB）技术研究锌镁（ZnMg）合金制成的晶格结构。这些结构旨在方便患者使用并促进骨愈合，锌镁合金可在机械强度和生物降解性之间取得平衡。研究人员的目标是在开发仿骨结构的同时，使其在体内逐渐降解，从而无需进行二次手术来移除植入物。

随着增材制造技术的不断成熟，锌基生物可吸收装置可能会成为材料科学、数字制造和个性化医疗之间的重要纽带。