近日，宁波诺丁汉大学Yinfeng He带领的团队在《Ceramics International》发表了题为3D printed zirconia ceramic tool for bone repair with multifunction of drug release, drilling and implantation的研究，本文创新性地设计并增材制造了一种氧化锆陶瓷手术工具，它不仅可以用作钻孔工具，还可以在手术后作为骨支架保留在钻孔中，同时输送活性成分（维生素 C）以快速恢复。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0272884224025343
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陶瓷材料因其优异的性能被广泛应用于骨修复和再生以及外科手术工具。在切割工具中，陶瓷材料具有高硬度；作为植入物，陶瓷具有良好的生物相容性和稳定的材料特性。然而，目前还没有尝试将这两个分支（陶瓷切削刀具和陶瓷植入物）结合在一起，设计出一种创新的陶瓷刀具，可以在手术过程中作为骨切削刀具，在手术后作为陶瓷植入物。

本文测试了一种新型氧化锆陶瓷工具，用于骨病早期干预、缩短手术时间和减少切口。该工具具有多种功能：作为骨钻、递送药物（维生素C）、作为骨支架保留在钻孔中。采用纳米颗粒喷射增材制造技术，测试了其机械性能、药物释放能力、骨钻性能及细胞粘附和生长能力。这种多功能氧化锆陶瓷工具有望在手术中得到广泛应用。

预防股骨头坏死的主要手术方式多为中晚期介入治疗，通常需要使用大量手术器械，如Kirkner针、同心钻、成骨术和刮除术。

设计的Gyroid支架陶瓷工具采用水平打印（图3a和b）。STL模型被切片以进行制造（图3c）。所有陶瓷工具使用NPJ 3D打印机（XJET，Carmel 1400C，以色列，图3d）打印。打印过程示意图见图3e。该系统通过将含有纳米级陶瓷粉末的液体喷涂在加热的基板（180°）上，使墨水中过量的有机溶剂挥发，并将剩余的纳米颗粒粘合在一起。

△图3，设计制作流程图：(a)Groro三周期最小表面（Groro TPMS）；(b)切片工艺及每层(c)切片形状；(d) XJET陶瓷3D打印工艺及(e) XJET打印原理。

从图4b和c可以观察到，XJET 3D打印陶瓷工具的边缘表面出现了一些液滴和流线型微结构。液滴是由于打印过程中陶瓷纳米颗粒墨水聚集形成的，而流线型微结构是由于在材料喷射过程中去除共打印的水溶性支撑物引起的。

△图4，打印陶瓷工具的评价：(a)样品图片和（b-c）3D打印工具的SEM形态图像；(d)切面刀具精度评价，(e)工具模型和(f)断裂面SEM形态图像；(g)建立拉伸试验，(h)通过工具不同孔隙度得到应力-应变曲线。

比较了不同赋形剂含量的药物释放行为。

△图5，药物释放特性：不同辅料含量的(a)扩散时间图；(b)扩散定量分析曲线；陶瓷工具(c)浸涂工艺前后(d)的光学显微镜及扫描电镜图像。

在真实骨骼上进行钻孔试验的实验装置如图所示图 6a和6b。

△图6，真实骨钻孔评估：(a) Global和(b)真实骨钻孔实验设置的详细图像；孔隙率80 %的氧化锆陶瓷工具钻孔的(c) CT扫描图像和(d)样本图像；(e)孔隙率80 %的钻孔示意图和三维形貌。

△图7，钻孔前后80 %孔隙率的氧化锆陶瓷工具的工具表面形貌比较：钻孔前80 %孔隙率的氧化锆陶瓷工具的(a) SEM图像和(b) EDS图；钻孔后80 %孔隙率的氧化锆陶瓷工具的(c) SEM图像和(d) EDS图。钻孔后80 %、80 %、50 %氧化锆陶瓷刀具磨损比较：(e) 80 %、(f) 70 %、(g) 50 %孔隙率钻孔氧化锆陶瓷刀具切割刀片的光学显微镜图像。

茜素红S染色结果显示，阳性对照组诱导成功，产生红色矿化（图8a~e）。加入载药陶瓷工具后，红色矿化程度明显扩大，钙离子沉积增多（图8b、c、d、f、g、h），表明载药工具促进了成骨细胞分化和骨骼生长。观察载药陶瓷工具上的钙离子沉积情况，成骨细胞诱导组工具表面及孔隙中有明显红点，而未诱导组无红色沉积物（图8i），证明成骨细胞有效附着并增殖在陶瓷工具上。

△图8，成骨细胞实验：（a-d）阳性对照、G1、G2、G3组样品染色图；（e-h）阳性对照、G1、G2、G3组钙离子沉积显微镜图；(i)无诱导陶瓷工具显微镜图；G1、G2、G3组陶瓷工具显微镜图（j-l）染色后和（m-o）染色前显微镜图）。

本文提出了一种新型集成增材制造（AM）陶瓷工具的概念，兼具钻孔、支架和药物递送功能。该工具用于早期干预股骨头坏死（ONFH），可以在骨中钻孔并作为骨支持物，避免了晚期治疗手术的复杂过程和低成功率，从而减轻患者晚期病症的痛苦。主要发现如下：

1、 药物释放测试显示，药物涂层在陶瓷工具孔内成功填充，药物在水环境中接近完全扩散所需时间为3分40秒。在模拟骨内环境的水解微胶囊环境中， excipient含量越高，药物释放越慢。

2、实际骨钻孔试验表明，多功能陶瓷工具成功钻入骨中，并与骨体契合良好，无破损。植入的自体骨碎片保持了与陶瓷工具孔的紧密接触，有助于骨愈合和吸收。

3、 骨母细胞诱导评估显示，药物加载的陶瓷工具组的骨母细胞增殖和分化速度快于阳性对照组。在不同孔隙率组的比较中，70%孔隙率的陶瓷工具最能促进骨母细胞的增殖和附着，表明70%孔隙率的陶瓷工具是最优的骨支架，能有效促进生物活性。