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Additively manufactured biodegradable porous magnesium implants for elimination of implant-related infections: An in vitro and in vivo study

植入 材料科学 体内 生物医学工程 生物相容性 骨整合 3d打印 医学 外科 生物 冶金 生物技术
作者
Kai Xie,Nanqing Wang,Yu Guo,Shuang Zhao,Jia Tan,Lei Wang,Guoyuan Li,Junxiang Wu,Yangzi Yang,Wenhua Xu,Juan Chen,Wenbo Jiang,Penghuai Fu,Yongqiang Hao
出处
期刊:Bioactive Materials [Elsevier]
卷期号:8: 140-152 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.bioactmat.2021.06.032
摘要

Magnesium (Mg) alloys that have both antibacterial and osteogenic properties are suitable candidates for orthopedic implants. However, the fabrication of ideal Mg implants suitable for bone repair remains challenging because it requires implants with interconnected pore structures and personalized geometric shapes. In this study, we fabricated a porous 3D-printed Mg-Nd-Zn-Zr (denoted as JDBM) implant with suitable mechanical properties using selective laser melting technology. The 3D-printed JDBM implant exhibited cytocompatibility in MC3T3-E1 and RAW267.4 cells and excellent osteoinductivity in vitro. Furthermore, the implant demonstrated excellent antibacterial ratios of 90.0% and 92.1% for methicillin-resistant S. aureus (MRSA) and Escherichia coli, respectively. The 3D-printed JDBM implant prevented MRSA-induced implant-related infection in a rabbit model and showed good in vivo biocompatibility based on the results of histological evaluation, blood tests, and Mg2+ deposition detection. In addition, enhanced inflammatory response and TNF-α secretion were observed at the bone-implant interface of the 3D-printed JDBM implants during the early implantation stage. The high Mg2+ environment produced by the degradation of 3D-printed JDBM implants could promote M1 phenotype of macrophages (Tnf, iNOS, Ccl3, Ccl4, Ccl5, Cxcl10, and Cxcl2), and enhance the phagocytic ability of macrophages. The enhanced immunoregulatory effect generated by relatively fast Mg2+ release and implant degradation during the early implantation stage is a potential antibacterial mechanism of Mg-based implant. Our findings indicate that 3D-printed porous JDBM implants, having both antibacterial property and osteoinductivity, hold potential for future orthopedic applications.

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