研究人員研發出“超彈性骨骼”材料
OFweek3D列印網訊 如果有一天你不幸骨折了，那麼一台3D印表機和一些特殊墨水將是你的良藥。研究人員創造出一種叫做“超彈性骨骼”的材料，可以根據需求定制，而且具備幾乎可與真實骨骼媲美的功能，呃，至少在猴子和大鼠體內是這樣。儘管還沒做好人體移植的準備，生物工程學家對這種材料的未來持樂觀態度，該材料將使骨骼創傷的快速修復向前邁進一大步，不論是被癌症嚴重破壞的骨骼，還是骨折的顱骨。
“這種材料可以説明我們輕鬆地製造出骨骼替代物。”荷蘭烏德勒支大學的生物材料工程師Jos Malda說，“這種材料的支架結構更易製作，優點也更多。”如今，外科醫生用於置換損壞或缺失骨骼的材料多種多樣。使用最廣泛的方法是自體骨移植，即從患者自身骨骼取材，通常是髖部或肋骨，再將取下的骨骼移植到需要的部位。外科醫生之所以偏愛自體骨移植，是因為真正的骨骼含有幹細胞，可生成軟骨和骨細胞，從而為新的移植物提供額外支撐。（人類的帶有幹細胞的部分骨骼碎片不能再生為完整的骨骼，但現存骨骼可向幹細胞傳遞信號，指引其向哪裡生長，分化為何種細胞。）此外，由於新的骨骼替代物來自患者自身，因此不存在發生免疫排斥的風險。但可用於移植的自身骨骼是有限的，而且這樣做的話，患者還需要多經歷一次痛苦的手術和恢復過程。
骨骼替代物的另外一種選擇是構建一個引導骨骼生長的支架。這些支架由天然和人工合成材料製成，相當於建築的框架。將支架放入患者體內，幹細胞就會沿著支架結構生長，並分化為骨細胞，這一過程就像建築工人根據摩天大樓的鋼筋結構砌牆、鋪地板及安裝玻璃一樣。
至少以上是支架本來應該遵循的方式——與自體移植方法不同的是，幹細胞不一定分化生長為所需的骨骼或者軟骨，這與支架的材料成分有關。研究人員已經可以成功使幹細胞在一種稱為磷酸鈣（CaP）的陶瓷材料上生長，但這種材料堅硬且易碎，因而將其植入人體存在困難。更糟的是，免疫系統有時會將這種支架材料視為異物而對其發起攻擊，使骨骼細胞根本無法在植入材料上生長。此外，如果要製作用於小骨骼（如面部骨骼）再生的磷酸鈣支架，醫生擔心要耗費過多的時間和金錢。
美國西北大學的研究者正致力研究一種可以彌補上述所有缺憾的材料。他們研究的這種超彈性材料由羥磷灰石（一種天然存在的礦物質，存在於我們的牙齒和骨骼中）、一種生物相容性良好的多聚物——聚己內酯和一種溶劑構成。羥磷灰石為骨骼提供支撐，同時提供幹細胞分化成骨的化學信號；聚己內酯為材料增添柔韌性；溶劑將3D列印的各個層次在列印脫水的過程中粘合起來。這三種材料被混合製成一種墨水，用3D印表機層層列印成與待替換的骨骼完全相同的形狀。這種方法的思路是，骨骼受損入院的患者，比如下頜骨骨折，在利用影像學手段獲取骨骼形狀信息後，當天就能通過3D列印技術得到超彈性材料製造的替代骨骼支架。患者無需接受痛苦的自體移植手術，或者等待個體化訂制的材料支架生產出來。
“我們列印出的柔韌性良好的支架可以促進骨骼在其中及其周圍生長。”該研究的共同作者，材料科學工程師Ramille Shah說。為了檢驗這一材料，研究團隊首先在大鼠體內檢測了3D列印支架，用作脊椎骨融合的材料。他們的目的是測試這種材料能否將2塊相鄰的脊椎骨固定在合適的位置上，效果是否與其他通常用於治療脊柱損傷的材料一樣好。西北大學的研究人員在植入這種超彈材料8周後，發現有血管在支架中生長，這是保證成骨組織存活的必需步驟，同時大鼠自身存在的幹細胞開始發生鈣化，形成骨骼。結果證明，這種聯合材料對脊柱骨的融合作用比對照組材料，如來自其他個體的骨骼移植物，或不依賴於任何支架材料更有效。
研究人員還利用這種超彈性材料修復了一隻恒河猴的顱骨損傷。在接受超彈性骨骼移植4周後，支架材料中開始長入血管以及鈣化的骨骼，同樣值得注意的是，該恒河猴沒有出現任何不良生物學反應，例如炎症或感染，而許多合成材料都會引發這些不良反應。
列印中用作墨水的材料——即羥磷灰石與多聚物和溶劑的混合物——在生物醫學工程實驗室中應用很普遍，Malda說，列印出超彈性骨骼材料價格低廉。除此之外，研究人員可用3D列印快速完成一些支架的製作，每個支架花費的時間不超過5小時。這就說明，未來材料支架可以精確地進入傷口，這在面部骨骼重塑方面十分重要；又或者列印成薄片狀，這樣一來，外科醫生就可以根據需要裁剪和粘貼，Malda說，“這種材料的應用前景無可限量。”
未參與研究的密西根大學生物醫學工程學家Scott Hollister認為，該成果在正式應用於人類之前還需要進行大量重複測試。如果效果顯著，該研究成果將為全球患者帶來福音。“能夠便捷地列印出個性化的移植物是一個巨大的進步，將為整形外科、腫瘤切除及修復等領域提供大量機遇。”
“這種材料可以説明我們輕鬆地製造出骨骼替代物。”荷蘭烏德勒支大學的生物材料工程師Jos Malda說，“這種材料的支架結構更易製作，優點也更多。”如今，外科醫生用於置換損壞或缺失骨骼的材料多種多樣。使用最廣泛的方法是自體骨移植，即從患者自身骨骼取材，通常是髖部或肋骨，再將取下的骨骼移植到需要的部位。外科醫生之所以偏愛自體骨移植，是因為真正的骨骼含有幹細胞，可生成軟骨和骨細胞，從而為新的移植物提供額外支撐。（人類的帶有幹細胞的部分骨骼碎片不能再生為完整的骨骼，但現存骨骼可向幹細胞傳遞信號，指引其向哪裡生長，分化為何種細胞。）此外，由於新的骨骼替代物來自患者自身，因此不存在發生免疫排斥的風險。但可用於移植的自身骨骼是有限的，而且這樣做的話，患者還需要多經歷一次痛苦的手術和恢復過程。
骨骼替代物的另外一種選擇是構建一個引導骨骼生長的支架。這些支架由天然和人工合成材料製成，相當於建築的框架。將支架放入患者體內，幹細胞就會沿著支架結構生長，並分化為骨細胞，這一過程就像建築工人根據摩天大樓的鋼筋結構砌牆、鋪地板及安裝玻璃一樣。
至少以上是支架本來應該遵循的方式——與自體移植方法不同的是，幹細胞不一定分化生長為所需的骨骼或者軟骨，這與支架的材料成分有關。研究人員已經可以成功使幹細胞在一種稱為磷酸鈣（CaP）的陶瓷材料上生長，但這種材料堅硬且易碎，因而將其植入人體存在困難。更糟的是，免疫系統有時會將這種支架材料視為異物而對其發起攻擊，使骨骼細胞根本無法在植入材料上生長。此外，如果要製作用於小骨骼（如面部骨骼）再生的磷酸鈣支架，醫生擔心要耗費過多的時間和金錢。
美國西北大學的研究者正致力研究一種可以彌補上述所有缺憾的材料。他們研究的這種超彈性材料由羥磷灰石（一種天然存在的礦物質，存在於我們的牙齒和骨骼中）、一種生物相容性良好的多聚物——聚己內酯和一種溶劑構成。羥磷灰石為骨骼提供支撐，同時提供幹細胞分化成骨的化學信號；聚己內酯為材料增添柔韌性；溶劑將3D列印的各個層次在列印脫水的過程中粘合起來。這三種材料被混合製成一種墨水，用3D印表機層層列印成與待替換的骨骼完全相同的形狀。這種方法的思路是，骨骼受損入院的患者，比如下頜骨骨折，在利用影像學手段獲取骨骼形狀信息後，當天就能通過3D列印技術得到超彈性材料製造的替代骨骼支架。患者無需接受痛苦的自體移植手術，或者等待個體化訂制的材料支架生產出來。
“我們列印出的柔韌性良好的支架可以促進骨骼在其中及其周圍生長。”該研究的共同作者，材料科學工程師Ramille Shah說。為了檢驗這一材料，研究團隊首先在大鼠體內檢測了3D列印支架，用作脊椎骨融合的材料。他們的目的是測試這種材料能否將2塊相鄰的脊椎骨固定在合適的位置上，效果是否與其他通常用於治療脊柱損傷的材料一樣好。西北大學的研究人員在植入這種超彈材料8周後，發現有血管在支架中生長，這是保證成骨組織存活的必需步驟，同時大鼠自身存在的幹細胞開始發生鈣化，形成骨骼。結果證明，這種聯合材料對脊柱骨的融合作用比對照組材料，如來自其他個體的骨骼移植物，或不依賴於任何支架材料更有效。
研究人員還利用這種超彈性材料修復了一隻恒河猴的顱骨損傷。在接受超彈性骨骼移植4周後，支架材料中開始長入血管以及鈣化的骨骼，同樣值得注意的是，該恒河猴沒有出現任何不良生物學反應，例如炎症或感染，而許多合成材料都會引發這些不良反應。
列印中用作墨水的材料——即羥磷灰石與多聚物和溶劑的混合物——在生物醫學工程實驗室中應用很普遍，Malda說，列印出超彈性骨骼材料價格低廉。除此之外，研究人員可用3D列印快速完成一些支架的製作，每個支架花費的時間不超過5小時。這就說明，未來材料支架可以精確地進入傷口，這在面部骨骼重塑方面十分重要；又或者列印成薄片狀，這樣一來，外科醫生就可以根據需要裁剪和粘貼，Malda說，“這種材料的應用前景無可限量。”
未參與研究的密西根大學生物醫學工程學家Scott Hollister認為，該成果在正式應用於人類之前還需要進行大量重複測試。如果效果顯著，該研究成果將為全球患者帶來福音。“能夠便捷地列印出個性化的移植物是一個巨大的進步，將為整形外科、腫瘤切除及修復等領域提供大量機遇。”