增材制造可降解多孔FeMn-硅灰石支架在临界尺寸骨缺损中的首次体内评估：从材料设计到骨整合验证

针对临界尺寸骨缺损修复缺乏理想骨替代材料的难题，研究人员通过挤出式3D打印技术开发了含35 wt% Mn和20/30 vol%硅灰石(Ak)的多孔FeMn-Ak复合支架。该支架具有与骨小梁匹配的力学性能(FeMn-20Ak屈服强度11±2 MPa)，16周体内降解率仅6-8%，并显著促进新生骨组织长入(FeMn-30Ak组大孔内新生组织达44±9%)，为可降解金属骨修复材料提供了新思路。

　　

在骨科临床实践中，临界尺寸骨缺损的修复始终是重大挑战。传统金属植入物存在应力遮挡、二次手术取出等问题，而现有可降解材料如镁合金又面临降解过快、产气等局限。铁(Fe)基材料因其适宜的降解速率和力学性能备受关注，但纯铁存在铁磁性、降解速率慢等缺陷。如何通过材料设计和先进制造技术开发兼具可控降解性、骨诱导能力和力学适配性的骨修复支架，成为当前研究热点。

荷兰伊拉斯姆斯医学中心(Erasmus MC)的研究团队创新性地采用挤出式增材制造(AM)技术，将铁(Fe)、锰(Mn)与生物活性陶瓷硅灰石(Ca₂MgSi₂O₇)按特定比例(35 wt% Mn+20/30 vol% Ak)复合，制备出具有61-63%孔隙率的多孔支架。该研究首次通过小鼠半异位皮下骨缺损模型系统评估了这类材料的体内性能，相关成果发表在《Materials Today Bio》上。

研究采用四大关键技术：1）多材料挤出式3D打印制备具有精确孔道结构的复合支架；2）体外模拟体液(r-SBF)浸泡实验评估降解行为；3）MC3T3-E1成骨前体细胞实验验证生物相容性；4）创新性建立的小鼠-牛骨复合移植模型（将支架植入牛骨环形成的4mm临界缺损后移植至小鼠皮下），结合μCT、组织学和力学测试进行16周纵向评估。

3.1 支架特性与体外降解
支架呈现410μm支柱直径和400μm孔间距的规则结构，FeMn-20Ak组屈服强度(11±2 MPa)显著高于FeMn-30Ak组(1.2±0.3 MPa)。体外浸泡8周后，两组Fe离子释放量相当(0.6-0.7 ppm)，但FeMn-30Ak组表现出更强的Ca/P沉积能力(Ca/P比2.03)，预示更好的骨诱导潜力。

3.2 细胞响应与成骨潜能
10%支架浸提液培养的细胞数量与对照组无差异(FeMn-20Ak组887±94 cells/mm²)，且碱性磷酸酶(Alpl)、骨桥蛋白(Opn)等成骨基因表达未受抑制。直接培养实验显示细胞能在支架表面形成致密细胞外基质层。

3.3 体内性能
临床安全性：除1例小鼠出现局部伤口问题外，主要器官病理学检查仅肝脏发现轻微铁/锰沉积，无显著毒性。
降解行为：16周后体积损失仅6-8%(FeMn-20Ak组5±2%)，显著慢于体外预测，归因于致密降解产物层阻碍进一步腐蚀。
骨整合能力：μCT显示FeMn-30Ak组大孔内新生组织占比显著更高(44±9% vs 27±5%，p<0.01)，推测试验中Ak释放的Ca²⁺、Mg²⁺等离子促进骨再生。力学测试证实FeMn-20Ak组保持初始力学性能，推出剪切强度达11±2 MPa。

这项研究首次证实了AM制备的FeMn-Ak复合支架在体内的安全性和骨整合潜力。特别值得注意的是，含20 vol% Ak的支架在维持力学完整性方面表现突出，而30 vol% Ak组则展现出更优的骨再生能力，这种"强度-活性"的权衡为临床不同需求场景提供了材料选择依据。研究者创新采用的小鼠-牛骨复合模型，为在小型动物中研究临界缺损修复提供了新思路。尽管降解速率仍需优化，但该工作为开发兼具MR兼容性(γ-FeMn相具有顺磁性)、力学适配性和生物活性的新一代骨修复材料奠定了重要基础。未来在大型负重动物模型中的验证将加速其临床转化进程。