高压阳极氧化抛光实现3D打印多孔钛植入体高效粉末去除与微纳结构构建及其促进成骨作用的研究

《BIOMATERIALS RESEARCH》：Efficient Powder Removal and Micro-Nano Structural Formation in 3D-Printed Porous Titanium Implants for Enhanced Osteogenesis

　　

专业术语翻译的论文摘要 粉末床熔融激光束（Powder Bed Fusion-Laser Beam, PBF-LB）能够制造患者特异性医疗植入体，然而，从复杂多孔结构中完全去除残余粉末仍是一项重大挑战，这会损害其生物学性能。在本研究中，研究人员开发了一种高压（90 V）阳极氧化（Anodic Oxidation, AO）表面抛光策略，以实现三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）陀螺结构多孔钛植入体的高效粉末去除和表面优化。AO处理显著降低了表面粗糙度，将孔径略微增大约30至50 μm，同时保持了300至600 μm的整体孔径，并生成了有利于细胞粘附和骨长入的蜂窝状微观结构。X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）分析证实形成了稳定致密的TiO2薄膜，该薄膜增强了亲水性和负表面电荷，从而促进了磷酸钙沉积和成骨矿化。体外和体内评估均表明，与未处理的对照组相比，AO处理后早期细胞粘附、长期矿化和骨再生得到显著改善。经过抛光的CP-Ti-AU-45试样实现了0.19 g/cm3的新骨矿物质密度和33.8%的骨体积分数。其分子机制可能涉及激活细胞外基质-受体相互作用、粘着斑和PI3K-Akt信号通路，同时抑制铁死亡相关信号通路，导致Runx2和Mef2c的信使RNA水平显著升高。AO抛光策略在保持多孔金属机械完整性的同时，将高效粉末去除与表面功能化相结合，从而显著增强了多孔金属植入体的骨整合潜力。

论文解读文章

研究背景与问题

骨组织工程学自20世纪80年代提出以来，已成为应对骨修复与再生临床挑战的高度交叉学科。随着对生物材料与宿主组织相互作用理解的深入，对骨植入体的性能要求已超越传统强度、亲水性等指标，转向对植入体几何形态、仿生结构设计及表面化学功能化的精确控制。钛及其合金因其高比强度、优异耐腐蚀性和生物相容性，是骨科和牙科植入中最常用的材料之一。增材制造技术，特别是粉末床熔融激光束（PBF-LB），能够通过逐层选择性熔化金属粉末来精确制造复杂结构，已广泛应用于颧骨替代物、髋臼杯等骨科植入体。其中，三周期极小曲面（TPMS）陀螺结构因其可调的孔隙率、力学稳健性和成骨潜力而备受关注，研究表明300至600 μm的孔径范围最有利于细胞粘附、骨长入和血管生成。

然而，PBF-LB制备的多孔钛植入体仍面临孔径偏差、残余应力、几何变形，以及最为关键的残余粉末粘附等问题。部分熔化或松散结合的粉末被困于复杂多孔网络中难以完全清除，可能在植入后脱落，引发炎症反应、局部骨吸收甚至植入体机械失效。传统的高压气吹、酸蚀和化学抛光等方法在梯度多孔内部效果有限，有时甚至会损害结构完整性。因此，亟需开发一种能够在复杂三维孔隙内实现深度粉末去除并同时进行表面功能化的方法。

研究内容与结论

为解决上述问题，研究人员非常规地探索了阳极氧化（AO）技术，通过采用高电压、定制电解液成分和优化的阳极氧化时间，实现了对复杂多孔结构内外表面的高效抛光和功能改性。本研究旨在通过系统评估高压AO处理前后3D打印陀螺结构多孔钛的表面形貌和力学性能变化，在不损害机械完整性的前提下去除残余粉末并建立骨传导界面。此外，通过体外实验评估成骨细胞的粘附、增殖和分化，并通过体内实验阐明骨再生和整合机制。最终得出结论：高压AO抛光能够高效去除复杂多孔结构中的残余粉末，同时构建多尺度仿生微纳结构，显著增强植入体的成骨整合潜力，为多孔钛植入体提供了一种新颖且有临床转化前景的表面处理策略。

关键技术方法

研究人员使用了以下关键技术方法：

1. 1.
   利用PBF-LB技术，在SLM 125HL系统上制备了孔隙率为70%、单胞尺寸为2.5 mm的TPMS陀螺结构多孔钛（CP-Ti和Ti64）试样。
2. 2.
   采用自主设计的AO辅助超声抛光系统，在90 V高电压下，以含氟化铵的乙二醇溶液为电解液进行50分钟阳极氧化处理，随后结合低频率超声清洗实现粉末剥离。
3. 3.
   利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和三维轮廓仪对表面形貌、化学成分和粗糙度进行表征。
4. 4.
   通过Instron万能试验机进行压缩和拉伸力学测试，并结合Gibson-Ashby模型分析力学行为。
5. 5.
   采用MC3T3-E1前成骨细胞和MG-63细胞进行体外细胞毒性、粘附、增殖、碱性磷酸酶（ALP）活性及细胞外基质（ECM）矿化评估。
6. 6.
   基于SD大鼠股骨缺损模型进行4周体内植入实验，通过显微计算机断层扫描（Micro-CT）和组织学染色（亚甲基蓝、甲苯胺蓝、Van Gieson染色）评价骨再生和整合效果。
7. 7.
   对共培养后的MC3T3-E1细胞进行转录组测序（RNA-seq）和生物信息学分析。

研究结果

As-printed porous Ti metals prior to polishing/removal treatment

通过光学显微镜和电子背散射衍射（EBSD）分析发现，较低的体能量密度（VED）会导致打印缺陷增多。随着VED从35增加到50 J/mm3，CP-Ti和Ti64试样的相对密度提高，晶粒尺寸增大，微观结构从细小的等轴晶向定向层状结构演变。CP-Ti-45和Ti64-45在45 J/mm3的VED下达到了与50 J/mm3组相当的相对密度（分别为99.82%和99.74%）。

Surface morphology characteristics of porous Ti metals after polishing

SEM观察显示，AO抛光有效去除了松散结合的粉末，形成了清晰互联的孔隙，并将孔径增大了约30-50 μm。在CP-Ti-AU-45表面观察到三种特征结构：纳米管脱落后暴露的蜂窝状图案、牢固结合的粉末残留形成的锯齿状凹坑以及部分熔融颗粒上的哈弗斯管状脊。XPS深度剖析证实，AO处理生成了更厚、更致密的TiO?薄膜，而AO抛光则去除了弱结合的纳米管，保留了稳定的底层氧化膜。CP-Ti表现出比Ti64更有序和稳定的微纳结构。

Compressive mechanical properties of porous Ti metals after polishing

力学测试表明，AO抛光显著改善了低VED样品的延展性和能量吸收能力。例如，CP-Ti-AU-45的极限抗压强度超过2000 MPa，断裂应变超过80%。抛光使孔隙率增加约3%-6%，但弹性模量和屈服强度的下降幅度很小（约0.1%-3%）。Gibson-Ashby模型拟合结果显示，抛光后的样品仍遵循经典幂律关系，证实了其力学行为的可预测性。抛光后的弹性模量（3-10 GPa）与天然松质骨相匹配。

Cytocompatibility of the extract of the gyroid porous Ti sample after polishing in vitro

通过浸提液培养模型研究发现，AO抛光组（CP-Ti-AU-45和Ti64-AU-45）的提取物显著降低了前成骨细胞的凋亡率，促进了细胞增殖（CCK-8法），并提高了划痕愈合实验中的细胞迁移能力。

In vitro biocompatibility of polished porous Ti metals

直接培养实验表明，在抛光后的样品上，MC3T3-E1细胞铺展更充分，丝状伪足更多。CCK-8检测显示抛光组在培养第3和第5天的细胞活力显著高于未抛光组。ALP活性和茜素红S染色定量分析均表明，CP-Ti-AU-45组在第14天和21天表现出最强的成骨分化和矿化能力。转录组学分析揭示，CP-Ti-AU-45激活了经典的成骨信号通路（如PI3K-Akt、MAPK、TGF-β），上调了Col1a1、Runx2等关键基因；而Ti64-AU-45则主要富集于机械感知和细胞骨架重塑通路。对比Ti64-AU-45与Ti64-45的转录组发现，AO处理上调了Runx2、Smad9等成骨标志物，并下调了铁死亡相关信号通路。

In vivo osteogenic activity of polished porous Ti metals

在大鼠股骨缺损模型中植入4周后，Micro-CT重建显示，未抛光组植入体周围存在明显的粉末脱落和不足的新骨形成，而AO抛光组则显示出大量的骨长入和紧密的骨-植入体接触（BIC）。CP-Ti-AU-45组的BIC达到61.7%，并获得了最高的骨矿物质密度（BMD，0.19 g/cm3）、骨体积分数（BV/TV，26.7%）和最佳的骨小梁参数。组织学染色（亚甲基蓝、甲苯胺蓝、Van Gieson）进一步证实，抛光组形成了锯齿状的界面结合，无明显的纤维囊和炎症反应，而CP-Ti-AU-45组展现出优异的骨诱导活性和类骨质沉积。定量分析显示，CP-Ti-AU-45的粉末去除效率高达96.6%，新骨体积分数达到33.8%。主要器官的H&E染色未发现明显病理异常。

总结与结论

讨论部分总结

高压AO抛光的粉末去除机制在于：首先在高电压下形成一层脆弱但有序的TiO?纳米管阵列，随后通过低频超声破碎并剥离这些不稳定结构，从而将嵌入深层孔隙的残余粉末一并去除，同时暴露出稳定的微纳结构。在力学性能方面，AO抛光通过优化表面状态（去除缺陷、降低应力集中）、释放内部残余应力以及均匀化调节孔隙率和模量，显著提升了多孔钛合金的延展性、能量吸收能力和承载稳定性。对于骨再生机制，物理层面优化的拓扑结构为成骨细胞提供了锚定和引导；化学层面通过去除粉末和形成稳定的TiO?层减少了局部毒性并促进了矿化；生物学层面则通过减轻炎症、促进M2型巨噬细胞极化以及激活整合素介导的黏着斑激酶（FAK）/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）等成骨信号通路，共同协同作用，实现了卓越的骨再生和骨整合性能。

研究结论翻译

本研究表明，高压AO抛光能够从复杂的陀螺结构多孔钛支架中高效去除残余粉末（去除率达96.6%），同时在表面直接构建多尺度、仿生的微纳结构（蜂窝状、锯齿状和哈弗斯管状通道）。抛光后的植入体保持了与骨匹配范围内的弹性模量（3-10 GPa）和屈服强度（40-210 MPa），同时展现出显著增强的塑性和能量吸收能力，从而为骨再生提供了更稳定的力学支撑。由AO抛光创建的仿生界面显著促进了细胞粘附、增殖和矿化，其中CP-Ti-AU-45试样在21天的共培养中表现出最强的骨诱导潜力。体内分析进一步证实，经AO抛光的CP-Ti-AU-45植入体能有效减轻由残余粉末引起的慢性炎症，并显著提高了新骨矿物质密度（0.19 g/cm3）、骨体积分数（33.8%）和骨-植入体界面整合。其分子机制可能涉及激活细胞外基质（ECM）-受体相互作用、粘着斑和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K-Akt）信号通路，同时抑制铁死亡相关信号通路。