德州農(nóng)工大學(xué)的研究人員將3D打印，生物材料工程學(xué)和干細(xì)胞生物學(xué)相結(jié)合，創(chuàng)造出了新型，更高效，可定制的骨移植材料。利用這三種技術(shù)，科學(xué)家們制造了3D打印的高成骨支架，不僅可以促進(jìn)骨骼細(xì)胞的生長，而且還可以作為定制形狀的堅(jiān)固骨骼再生平臺。

這種新穎的生物材料可以替代在重建手術(shù)中使用金屬和聚合物的方法，使皮膚移植物在愈合后能夠無縫整合到患者的頭骨中。

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系副教授羅蘭德·考納斯（Roland Kaunas）表示：“用于顱面植入物的材料要么在生物學(xué)上沒有活性，而且像鈦一樣堅(jiān)硬，要么在生物學(xué)上卻像生物聚合物一樣柔軟，而且太軟。在我們的研究中，我們開發(fā)了具有生物活性和機(jī)械強(qiáng)度的合成聚合物。這些材料也可以3D打印，從而可以制造出既美觀又實(shí)用的定制形狀的顱面植入物?！?/span>

 研究人員的生物材料可用于制造多種面部植入物，包括用于che骨，眼窩和頜骨手術(shù)的植入物。

圖片來自德州農(nóng)工大學(xué)。

需要改進(jìn)的植骨技術(shù)

每年有200,000人的頜骨，面部或頭部受傷。最終的手術(shù)通常需要使用鈦板和螺釘將這些折斷的骨頭固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，并使周圍的骨?xì)胞生長并在植入物周圍形成覆蓋物。盡管這種方法在輔助骨骼修復(fù)方面取得了相對成功，但鈦并非總是整合到骨骼組織中，這可能會導(dǎo)致植入物失效，在晚期情況下會導(dǎo)致進(jìn)一步的手術(shù)。

與自體移植相比，金屬和熱塑性塑料也更容易受到感染，植入物擠出和暴露，組織壞死和應(yīng)力屏蔽。骨移植被外科醫(yī)生認(rèn)為是更可取的選擇，但是這種技術(shù)也有缺點(diǎn)。骨組織的直接應(yīng)用依賴于供體組織的有限來源，招致供體部位發(fā)病，而且即使這樣，頭骨中復(fù)雜的幾何形狀也無法輕易復(fù)制。

研究人員確定了生物相容性聚合物，尤其是生物凝膠，可以替代聚合物和金屬植入物。這些可延展材料是優(yōu)選的，因?yàn)橐坏┧鼈儽谎b載了骨干細(xì)胞，就可以將凝膠3D打印成任何預(yù)先編程的形狀。另外，與金屬鍍層不同，人體可以隨著時間的推移溶解水凝膠，而不會造成任何持久的損害。

 使用3D打印的生物凝膠進(jìn)行骨移植

盡管生物凝膠的柔韌性使其成為3D生物打印的理想選擇，但它們的柔韌性也會影響所生產(chǎn)任何零件的機(jī)械完整性和準(zhǔn)確性。為了使材料更堅(jiān)硬，研究人員開發(fā)了一種納米工程離子共價纏結(jié)或“ NICE”。這種混合物的配方僅包含三種主要成分：一種叫做kappa carrageenan的海藻提取物，明膠和納米硅酸鹽顆粒。這些元素起到刺激骨骼生長和機(jī)械增強(qiáng)NICE水凝膠的作用，發(fā)現(xiàn)混合物的強(qiáng)度比其單個成分強(qiáng)八倍。一旦準(zhǔn)備好混合物，研究人員將成年干細(xì)胞添加到用NICE墨水進(jìn)行3D打印，然后化學(xué)誘導(dǎo)干細(xì)胞將其轉(zhuǎn)化為骨細(xì)胞。在此過程的兩周內(nèi)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞已經(jīng)大量生長，產(chǎn)生高水平的骨相關(guān)蛋白，礦物質(zhì)和其他分子。細(xì)胞分泌物形成支架，稱為細(xì)胞外基質(zhì)，具有發(fā)育中的骨細(xì)胞生長和存活所需的獨(dú)特生物材料成分。一旦支架完全發(fā)育，就可以去除骨細(xì)胞，并準(zhǔn)備將基于水凝膠的植入物插入顱骨損傷部位。

據(jù)研究人員稱，3D打印支架的強(qiáng)度有助于健康骨細(xì)胞的附著和生長，同時允許發(fā)育中的骨細(xì)胞穿透合成材料。水凝膠還具有彈性和韌性，可以進(jìn)行手動操作，同時還可以稍微壓縮，并且可以壓入到缺陷中。由于NICE移植物具有廣闊的生物學(xué)和物理特性，研究人員熱衷于在不久的將來將這種方法用于體內(nèi)的骨再生以進(jìn)行脊柱融合。 “盡管我們目前的工作重點(diǎn)是修復(fù)顱骨，但在不久的將來，我們希望不僅針對顱頜面缺損，而且針對脊柱融合術(shù)和其他損傷情況下的骨骼再生，擴(kuò)展這項(xiàng)技術(shù)?！笨技{斯說。

 研究小組發(fā)現(xiàn)細(xì)胞進(jìn)入NICE過程的時間不到2周。圖片來自德州農(nóng)工大學(xué)。

增材制造中的骨植入物

目前，實(shí)驗(yàn)性的新型生物材料已成為3D打印中的熱門話題，許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都在嘗試完善該技術(shù)以實(shí)現(xiàn)植入骨。柏林Charité–Universit?tsmedizin大學(xué)診所于2018年1月開發(fā)了3D打印的鈦網(wǎng)支架，為使用患者自己的骨頭的傳統(tǒng)植骨技術(shù)提供了替代方法?？茖W(xué)家聲稱，植入物具有無與倫比的強(qiáng)度，并且可以設(shè)計(jì)成具有復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀以適應(yīng)任何損傷。

來自康涅狄格州牛津高性能材料（OPM）和加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員于2019年6月使用3D打印的PEKK植入物來加速骨骼再生。這種新設(shè)計(jì)的方法可以幫助治療關(guān)鍵尺寸的骨缺損，從而減少了對侵入性程序，例如植骨。

萊斯大學(xué)和馬里蘭大學(xué)（UMD）的科學(xué)家于2019年4月開發(fā)了3D打印人造骨組織的新概念證明。正在開發(fā)軟骨，以幫助運(yùn)動員從運(yùn)動損傷中康復(fù)，以及那些遭受與關(guān)節(jié)炎。

來源：中國3D打印網(wǎng)