美國西北大學(xué)研究團隊開發(fā)了一種3D打印墨水，用于生產(chǎn)合成骨植入物。這種“超彈性骨”材料，可以迅速誘導(dǎo)骨再生和生長，形狀輕松定制，有望在兒童骨缺損治療中發(fā)揮重要作用。

    骨植入手術(shù)是從身體其他部位取出一段骨頭，取代缺失的骨頭，這往往會導(dǎo)致其他并發(fā)癥和疼痛。骨植入手術(shù)從來不是一個簡單的過程，特別對于兒童而言，將意味著更嚴(yán)重的痛苦和麻煩。手術(shù)有時會使用金屬植入物，但對于成長的兒童來說這并非長久之計。

    “對于植入物，成年人會有更多的選擇，幼兒患者卻沒有。如果你給他們植入一個永久性植入物，隨著他們的成長，你必須在未來做更多的手術(shù)，并且他們可能面臨數(shù)以年計的麻煩。”研究負(fù)責(zé)人Ramille N. Shah說。

    Shah是西北大學(xué)McCormick工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)和Feinberg醫(yī)學(xué)院外科學(xué)助理教授。她和她的團隊希望改變骨移植物的屬性，尤其希望能幫助到兒童患者。研究采用人類干細(xì)胞和動物模型對材料性能進行評估，該研究成果已于9月28日發(fā)表在Science Translational Medicine上，在Shah實驗室做博士后的Adam E. Jakus是該論文的第一作者。

    Shah的3D打印材料由羥基磷灰石（在人骨中發(fā)現(xiàn)的自然鈣礦物）與一種具有生物相容性、可生物降解的高分子材料（該材料廣泛應(yīng)用于許多醫(yī)療應(yīng)用，包括縫合線）混合而成。該“超彈性骨”材料在動物體模型中顯示出巨大的潛力，這得益于其獨特的印刷結(jié)構(gòu)性能。大多數(shù)羥基磷灰石在納觀，微觀和宏觀層次都表現(xiàn)出超彈性、魯棒性和多孔性。

    “當(dāng)組織再生時，細(xì)胞和血管會滲透到支架，所以孔隙率是巨大的，而我們的3D結(jié)構(gòu)都有不同程度的孔隙率，在物理和生物特性方面是有利的。” Shah說。

    雖然羥基磷灰石已被證明可以誘導(dǎo)骨再生，但使用羥磷灰石或其它磷酸鈣陶瓷制備的臨床產(chǎn)品硬而脆，這也是眾所周知的棘手難題。為了彌補不足，以前的研究者創(chuàng)造了由大量聚合物組成的結(jié)構(gòu)，但是喪失了生物陶瓷的活性。然而，Shah的骨生物材料，由90wt.%的羥基磷灰石和10wt.%的聚合物組成，結(jié)構(gòu)預(yù)先設(shè)計并通過3D打印制造，因而仍保持著彈性，高濃度的羥基磷灰石為誘導(dǎo)骨快速再生創(chuàng)造了環(huán)境。

    “細(xì)胞可以感知羥基磷灰石并進行生物活性的回應(yīng)，當(dāng)你把干細(xì)胞放在我們的支架上時，在沒有任何其他的骨誘導(dǎo)物質(zhì)存在的情況下，它們會轉(zhuǎn)變成骨細(xì)胞，并開始上調(diào)自己的骨特異性基因的表達(dá)，這只是細(xì)胞與材料本身之間的相互作用。

    但這并不是說其他物質(zhì)不能被組合成油墨。由于3D打印過程是在室溫下進行，我們能夠?qū)⑵渌兀缈股兀旌系接湍幸詼p少術(shù)后感染的可能性。如果需要的話，我們還可以將油墨與不同類型的生長因子結(jié)合，進一步提高再生性能，這是一個真正的多功能材料。” Shah說。

    然而，該材料最大的優(yōu)點是，最終產(chǎn)品可以定制。在傳統(tǒng)的骨移植手術(shù)中，從身體的另一部分獲得的骨，需要被塑造成完全契合適合它植入部分的形狀。而使用Shah的合成材料，醫(yī)生將能夠掃描病人的身體并3D打印個性化產(chǎn)品。另外，由于機械性能優(yōu)異，該生物材料也可以修剪，并被切割成任意大小和形狀。相比采用自體移植材料，這種材料不僅更快且痛苦更少。

    Shah認(rèn)為有一天醫(yī)院可能會有3D打印機，患者可以24小時排隊打印定制植入物，這對于顱頜面整形外科手術(shù)將是一個重大變革。