3D打印含铜钛合金的抗菌抗炎特性及其在引导骨再生中的生物医学应用

这篇研究通过选择性激光熔融（SLM）技术制备了含铜（4-8 wt%）钛合金（Ti-xCu），系统评估了铜含量对材料腐蚀性、抗菌性（对S. aureus和E. coli杀菌率>90%）、成骨基因（Alp、Col-1）表达及巨噬细胞抗炎因子（Il-10、Arg-1）调控的影响，证实Ti-6Cu合金在个性化骨再生支架中兼具生物安全性与功能活性。

　　

引言

引导骨再生（GBR）是牙科种植中解决骨萎缩的关键技术，但传统钛网存在44%的暴露率，易引发感染。3D打印个性化钛网将暴露率降至31%，但感染风险仍存。铜（Cu）因其抗菌性和促骨再生潜力被引入钛合金，但不同Cu含量对SLM制备合金的性能影响尚不明确。

实验方法

研究采用SLM技术以400 rpm球磨混合Ti/Cu粉末（Cu含量0-8 wt%），激光功率85 W、扫描速度600 mm/s制备Ti-xCu合金。通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析微观结构，电化学测试评估腐蚀行为，ICP-AES检测离子释放。体外实验采用MC3T3-E1成骨细胞和RAW264.7巨噬细胞，通过CCK-8、活死染色、实时PCR（qPCR）评估生物相容性、成骨基因及炎症因子表达。

结果

微观结构：XRD显示Ti₂Cu相衍射峰随Cu含量增加而增强（图3）。SEM显示Ti₂Cu相以片层状分布于α-Ti基体，8 wt% Cu时Ti₂Cu面积超过基体（图4）。

腐蚀性能：极化曲线表明Ti-6Cu腐蚀电流密度最低（1.37×10^?8 A/cm²），Nyquist图显示所有合金均形成致密钝化膜（图5）。

抗菌性：Ti-4/6/8Cu对两种细菌的杀菌率均>99%，但Cu离子释放浓度（0.59-0.94 mg/L）低于抗菌阈值，提示Ti₂Cu相的直接接触杀菌为主导机制（图6）。

成骨活性：Ti-6Cu组ALP染色最深（P < 0.05），Alp和Col-1基因表达最高，表明其最优的早期成骨诱导能力（图8）。

免疫调节：Ti-6Cu显著上调巨噬细胞抗炎因子Il-10和Arg-1，同时抑制Tnf-α和Il-6，促进M2型极化（图9）。

体内安全性：小鼠植入7天后，主要器官未见病理损伤，证实合金的生物安全性（图10）。

讨论

Ti-6Cu的优异性能源于其微结构设计：Ti₂Cu相通过接触杀菌和微电池效应释放Cu²⁺，而α-Ti基体维持钝化膜稳定性。成骨与抗炎效应的协同归因于Cu离子调控的MAPK/NF-κB通路抑制和BMP-2信号激活。相比传统钛网，SLM制备的个性化Ti-6Cu支架可降低感染风险并加速骨愈合，但其长期体内代谢机制仍需进一步研究。

结论

SLM制备的Ti-6Cu合金兼具抗菌（>99%）、促骨再生和抗炎特性，是GBR钛网的理想候选材料。该研究为功能性骨再生支架的开发提供了理论和实验基础。