注射式3D打印金属骨水泥：一种新的医用材料

骨类疾病是危害身体健康的一类严重疾病，如何解决骨类疾病带来的困扰已经成为医学界的一大难题［40］。经过人们在材料学和医学上的不断探索，骨水泥的发明和改进为骨类疾病患者在减轻痛苦、提高生活质量等方面做出了重要贡献。但传统骨水泥材料仍面临很多困难和挑战［37-39］。针对传统骨水泥目前存在的问题，并结合生物医学金属材料的特点，笔者实验室提出了一种全新概念、基于固液相转换的可注射式低熔点合金骨水泥［41］。

图12.5　小鼠皮下骨水泥的植入状况［41］

骨水泥植入小鼠背部皮下3d（a）、7d（b）和14 d（c）后，合金骨水泥的植入状况；d.合金骨水泥样品从小鼠背部剥离。

低熔点金属采用的是熔点为57.5℃的Bi35 In48.6 Sn16 Zn0.4，并采用BALB/c小鼠的活体实验来研究这种合金的生物相容性。选取9只8周龄雄鼠来进行合金骨水泥的皮下植入实验，分别在合金骨水泥皮下植入3d、7d和14 d后，对小鼠背部进行解剖。结果发现，几组植入皮下的合金样品，均能稳定地处于起初植入的原位皮下（图12.5），并没有由于小鼠的运动，造成空间上的移位，或者由于合金样品对组织的破坏而游移他处。因针头穿刺对皮肤造成的伤口在第3d时已经有了愈合的趋势（图12.5a），在第7d和第14 d的时候，完全看不出穿刺的位置，皮肤伤口已经愈合，其上的一些毛细血管也重新长出并恢复正常（图12.5b和c）。与合金接触的皮肤组织和肌肉组织无肉眼可见变化，移走合金样品后，合金下面接触的组织依然保持光滑完整（图12.5d）。移除的合金样品被黏膜包裹，结构完整，表面未有变色和腐蚀等变化。(www.xing528.com)

进一步研究证明，合金骨水泥样品植入后，周围组织会发生缓和的炎症反应，这些现象处于生物体对外来异物正常反应的合理范围之内。除此之外，组织未见剧烈炎症反应和细胞变异行为。在体实验的结果表明，合金骨水泥在相当长的一段时间内与组织具有良好的生物相容性。

图12.6　合金骨水泥的注射式3D打印［41］

a.用合金骨水泥注模的“BONE”字样；b.高速摄像机所拍摄的液态合金液滴的液-固相变过程；c.骨腔内填充有合金骨水泥的X射线影像；d.对小鼠皮下植入合金水泥的X射线影像。

在合金骨水泥模具成型实验中，液态金属从离开注射器到冷却成型的整个过程大概经历10 min，表明了合金骨水泥材料注射性好、固化速度较快。在可塑性方面，如图12.6a所示，由于液态合金可以适形地填充于模型的边、角、曲、折等部位，所以液态合金凝固后形成的合金字母“B”、“O”、“N”、“E”组成的单词“BONE”轮廓清晰，说明液态金属的充型能力较强，能够根据模具的不同形状，实现多种特殊的造型。液态合金骨水泥被缓缓地从注射器中推出后，具有典型的液滴形态，并且有明亮的金属光泽，液滴在下降的过程中保持形态并竖直地落到平面上，结果如图12.6b所示。当液滴与平面撞击时，其形态开始发生变化，逐渐形成液膜，在经过多次往复振荡波动后趋于静止，这体现了其良好的流变性。与传统商业丙烯酸树脂骨水泥相比，合金骨水泥与骨组织的对比度更明显，在放射成像方面更具有优越性，图像效果更好（图12.6c和12.6d）。合金骨水泥优良的成像能力是自身具备的，所以免除了因添加其他成分而导致骨水泥改性的担忧。由于传统骨水泥是单向不可逆的液固转换过程，翻修时不得不切除一部分骨组织来实现对骨水泥及假体的移除。而且操作过程比较复杂，需要特殊的手术器械和熟练的手术技巧。对于合金骨水泥来说，因其固液相能够可逆地相互转换，即使变成了固体，也可以通过加热的方法令其熔化成为液态，便于移除。在加热探针和热电偶的配合下，既能实现合金骨水泥的固液转换，又可以监控界面骨组织的温度，降低骨组织发生热损伤的可能性。总的来说，通过选择合适的墨水，注射式3D打印可以用于合金骨水泥的医学应用。上面所介绍的合金骨水泥即是一个典型的在体3D植入式打印例子，体现出适形化打印的特点，同样，我们也可以用注射式3D打印快速制作一些微纳米生物电子器件。