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2024
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行业新知 | DLP光固化3D打印氧化锌改性钛酸钡/羟基磷灰石压电陶瓷支架在感染性骨缺损修复中的应用研究
作者：
行业新知
近日，吉林大学吴国民教授团队在《Bioactive Materials》发表了题3D-printed zinc oxide nanoparticles modified barium titanate/hydroxyapatite ultrasound-responsive piezoelectric ceramic composite scaffold for treating infected bone defects的研究，利用数字光处理 (DLP) 3D打印技术开发了一种氧化锌纳米颗粒 (ZnO-NPs) 改性的钛酸钡 (BT) 和羟基磷灰石 (HA) 复合材料支架，探索其在治疗感染性骨缺损中的多功能性和临床潜力。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.11.015
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研究内容
骨折相关感染的发生率较高，尤其是在开放性骨折中，感染性骨缺损会导致骨坏死，严重影响患者的预后并增加经济负担。与典型的骨缺损不同，感染性骨缺损的治疗要求植入物不仅具有强大的骨诱导能力，还需具备优异的抗菌性能。氧化锌纳米颗粒（ZnO-NPs）因其广谱抗菌、低毒性以及促进骨细胞活性的特性，成为理想的材料。ZnO还具备优异的压电性能，能够提高无铅压电陶瓷的电学特性，并在生物医学领域展现出广泛的应用潜力。
本研究将ZnO-NPs引入钛酸钡（BT）和羟基磷灰石（HA）复合材料中，旨在提升其压电性能和抗菌能力。通过精密的数字光处理 (DLP) 3D 打印技术打印复合压电陶瓷支架，研究发现，ZnO-NPs不仅增强了压电陶瓷的生物效应，促进了骨修复，还赋予了材料强大的抗菌特性。结合低强度脉冲超声（LIPUS）刺激，进一步促进了骨生成和血管生成。该创新方法为感染性骨缺损提供了有效的治疗方案，并解决了传统骨修复材料的局限性。
结合低强度脉冲超声 (LIPUS) 和压电的协同作用，结果表明支架具有显著的成骨和血管生成潜力，可增强骨骼的生长和修复。
以下是文章的研究方法及数据：
△图1，不同组压电陶瓷样品的表征：A：3D打印压电陶瓷样品的制备过程；B：3D打印陶瓷支架的全景图；C：3D打印陶瓷样品的扫描电子显微镜（SEM）图像；D：3D打印陶瓷样品的能谱（EDS）映射；E：3D打印陶瓷样品的能量色散X射线（EDX）映射；F：3D打印陶瓷样品的X射线衍射（XRD）图谱；G：3D打印压电陶瓷样品在室温（RT）下的水接触角；H：3D打印压电陶瓷样品的形貌、振幅和相位；I：3D打印压电陶瓷样品在1kHz频率下的相对介电常数（εr）；J：3D打印压电陶瓷样品的压电系数（d33）。
△图2，不同压电陶瓷样品的体外抗菌性能。
△图3，不同压电陶瓷样品的体外生物安全性研究。
△图4，不同压电陶瓷样品的体外成骨性能表征。
△图5，不同压电陶瓷样品的体外血管生成特性。
△图6，成骨过程的转录组学分析结果。
△图7，不同压电陶瓷样品的体内成骨性能。
△图8，体内成骨和血管生成的免疫荧光染色结果。
结论
本研究利用DLP光固化3D打印技术制备了一种ZnO改性BT/HA压电陶瓷支架，用于修复感染性骨缺损。首先，通过改性ZnO提高了BT的压电性能，从而在支架中实现了更高的HA含量。其次，支架在体外表现出显著的抗菌效果。此外，结合LIPUS和压电效应，支架展现出卓越的成骨能力。因此，多功能骨组织工程陶瓷支架的开发在复杂组织缺损修复中展现出广阔的应用潜力。
△图为使用我们DLP光固化陶瓷3D设备打印的生物玻璃照片
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