新型 3D 打印材料可帮助骨骼再生

科学家今天在《科学转化医学》杂志上发表报告称，3D 打印植入物可促进动物体内新骨的生长。他们发明的新型生物工程材料被称为超弹性“骨骼”，价格低廉、用途广泛，易于打印，可用于修复或再生人体骨骼。

这种移植材料由羟基磷灰石（一种存在于骨骼和牙齿中的矿物质）和一种可生物降解的聚合物制成，有助于修复大鼠和猴子的骨损伤。“尽管它大部分是陶瓷，通常非常脆，但它拥有非常独特的……特性，使其具有高度弹性，”伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的合著者拉米尔·沙阿在周二的新闻发布会上说。“当我们挤压或变形它时，它会立即恢复到原来的形状。”

当 Shah 和她的同事将从骨髓中提取的人类干细胞放在一块超弹性“骨头”样本上时，仅仅是“骨头”的存在就足以促使它们成熟为骨细胞（这种类型的干细胞也可以产生脂肪或软骨）。团队成员、同样来自西北大学的 Adam Jakus 在新闻发布会上表示，“骨头”支架是细胞制造自身天然材料的来源。

为了测试移植材料是否安全，研究小组将超弹性“骨头”置于小鼠皮下。这种生物材料具有多孔性，因此啮齿动物的血管可以快速渗入移植物并将其吸收到体内，而不会引起免疫系统的反应。

当植入老鼠的脊椎时，3D 打印移植物有助于生成骨骼，帮助融合和治愈动物的脊椎。它的表现与来自同类老鼠的治疗组织一样好，后者通常用于骨移植。它还具有吸收性，这意味着它可以与促进骨骼生长的抗生素或蛋白质混合。

最后，研究小组使用超弹性“骨头”替换了恒河猴的一块脆弱、不健康的头骨。外科医生不确定损伤有多严重，因此研究人员打印了一个大移植物，让他们在手术室里修剪成合适的尺寸。这意味着植入物也可以在最后一刻轻松调整到人体上。四周后，猴子的头骨已经愈合，血管充满了移植物。

目前用于骨骼修复的其他材料往往很脆，外科医生难以操作。“另一方面，超弹性‘骨骼’可以轻松切割、卷起、折叠和缝合到组织上，”Shah 说。“而且由于它有弹性，因此可以挤压、填补缺损，并膨胀以机械方式将其自身固定在空间中，而无需胶水或缝合线。”这种生物材料也很坚固；当团队打印一段人类股骨时，它可以支撑高达 150 磅的负载，直到弯曲。

目前还不清楚为什么这些材料以这种方式打印时如此有效。一种可能性是，移植物模仿了天然骨骼，但并不完美。“细胞实际上可能认为它是不完整的骨骼，”Jakus 说。“所以这会进一步刺激它们重塑它，使其成为天然骨骼。”

他和同事们设想他们的新墨水可用于重建和整形手术。这种材料还可以避免儿童以后不得不进行手术来更换不合适的移植物。“它被设计成可以降解并重塑为天然骨骼，因此它可以与患者一起成长，”沙阿说。

这些墨水可以储存起来，然后在室温下用于快速打印支架。“我认为，如果我们能在医院环境中使用这些打印机，我们可以为他们提供超弹性‘骨’墨水，然后他们可以在当天（24 小时内）为患者制作特定植入物，那就太好了，”Shah 说。她和她的团队希望在五年内开始临床试验。