使用社交账号登陆

当前位置: 主页 > 前沿 > 材料 • 化学

3D打印效果可乱真的人造骨骼,迅速修复骨损伤

时间: 2016年12月21日 | 作者: Jessica Boddy | 来源: Science
研究人员创造出一种叫做“超弹性骨骼”的材料,可以根据需求人造骨骼。


图片1.png 

 

如果有一天你不幸骨折了,那么一台3D打印机和一些特殊墨水将是你的良药。研究人员创造出一种叫做“超弹性骨骼”的材料,可以根据需求定制,而且具备几乎可与真实骨骼媲美的功能,呃,至少在猴子和大鼠体内是这样。尽管还没做好人体移植的准备,生物工程学家对这种材料的未来持乐观态度,该材料将使骨骼创伤的快速修复向前迈进一大步,不论是被癌症严重破坏的骨骼,还是骨折的颅骨。

 

 “这种材料可以帮助我们轻松地制造出骨骼替代物。”荷兰乌得勒支大学的生物材料工程师Jos Malda说,“这种材料的支架结构更易制作,优点也更多。”

 

如今,外科医生用于置换损坏或缺失骨骼的材料多种多样。使用最广泛的方法是自体骨移植,即从患者自身骨骼取材,通常是髋部或肋骨,再将取下的骨骼移植到需要的部位。外科医生之所以偏爱自体骨移植,是因为真正的骨骼含有干细胞,可生成软骨和骨细胞,从而为新的移植物提供额外支撑。(人类的带有干细胞的部分骨骼碎片不能再生为完整的骨骼,但现存骨骼可向干细胞传递信号,指引其向哪里生长,分化为何种细胞。)此外,由于新的骨骼替代物来自患者自身,因此不存在发生免疫排斥的风险。但可用于移植的自身骨骼是有限的,而且这样做的话,患者还需要多经历一次痛苦的手术和恢复过程。

 

骨骼替代物的另外一种选择是构建一个引导骨骼生长的支架。这些支架由天然和人工合成材料制成,相当于建筑的框架。将支架放入患者体内,干细胞就会沿着支架结构生长,并分化为骨细胞,这一过程就像建筑工人根据摩天大楼的钢筋结构砌墙、铺地板及安装玻璃一样。

 

至少以上是支架本来应该遵循的方式——与自体移植方法不同的是,干细胞不一定分化生长为所需的骨骼或者软骨,这与支架的材料成分有关。研究人员已经可以成功使干细胞在一种称为磷酸钙(CaP)的陶瓷材料上生长,但这种材料坚硬且易碎,因而将其植入人体存在困难。更糟的是,免疫系统有时会将这种支架材料视为异物而对其发起攻击,使骨骼细胞根本无法在植入材料上生长。此外,如果要制作用于小骨骼(如面部骨骼)再生的磷酸钙支架,医生担心要耗费过多的时间和金钱。

 

美国西北大学的研究者正致力研究一种可以弥补上述所有缺憾的材料。他们研究的这种超弹性材料由羟磷灰石(一种天然存在的矿物质,存在于我们的牙齿和骨骼中)、一种生物相容性良好的多聚物——聚己内酯和一种溶剂构成。羟磷灰石为骨骼提供支撑,同时提供干细胞分化成骨的化学信号;聚己内酯为材料增添柔韧性;溶剂将3D打印的各个层次在打印脱水的过程中粘合起来。这三种材料被混合制成一种墨水,用3D打印机层层打印成与待替换的骨骼完全相同的形状。这种方法的思路是,骨骼受损入院的患者,比如下颌骨骨折,在利用影像学手段获取骨骼形状信息后,当天就能通过3D打印技术得到超弹性材料制造的替代骨骼支架。患者无需接受痛苦的自体移植手术,或者等待个体化订制的材料支架生产出来。

 

 “我们打印出的柔韧性良好的支架可以促进骨骼在其中及其周围生长。”该研究的共同作者,材料科学工程师Ramille Shah说。

 

为了检验这一材料,研究团队首先在大鼠体内检测了3D打印支架,用作脊椎骨融合的材料。他们的目的是测试这种材料能否将2块相邻的脊椎骨固定在合适的位置上,效果是否与其他通常用于治疗脊柱损伤的材料一样好。西北大学的研究人员在植入这种超弹材料8周后,发现有血管在支架中生长,这是保证成骨组织存活的必需步骤,同时大鼠自身存在的干细胞开始发生钙化,形成骨骼。结果证明,这种联合材料对脊柱骨的融合作用比对照组材料,如来自其他个体的骨骼移植物,或不依赖于任何支架材料更有效。研究人员将这一结果发表在了《科学·转化医学》(Science Translational Medicine)上。

 

研究人员还利用这种超弹性材料修复了一只恒河猴的颅骨损伤。在接受超弹性骨骼移植4周后,支架材料中开始长入血管以及钙化的骨骼,同样值得注意的是,该恒河猴没有出现任何不良生物学反应,例如炎症或感染,而许多合成材料都会引发这些不良反应。

 

打印中用作墨水的材料——即羟磷灰石与多聚物和溶剂的混合物——在生物医学工程实验室中应用很普遍,Malda说,打印出超弹性骨骼材料价格低廉。除此之外,研究人员可用3D打印快速完成一些支架的制作,每个支架花费的时间不超过5小时。这就说明,未来材料支架可以精确地进入伤口,这在面部骨骼重塑方面十分重要;又或者打印成薄片状,这样一来,外科医生就可以根据需要裁剪和粘贴,Malda说,“这种材料的应用前景无可限量。”

 

未参与研究的密歇根大学生物医学工程学家Scott Hollister认为,该成果在正式应用于人类之前还需要进行大量重复测试。如果效果显著,该研究成果将为全球患者带来福音。“能够便捷地打印出个性化的移植物是一个巨大的进步,将为整形外科、肿瘤切除及修复等领域提供大量机遇。”

 

原文链接:http://www.sciencemag.org/news/2016/09/print-demand-bone-could-quickly-mend-major-injuries

 


  • 相关文章