【中國(guó)智能制造網(wǎng) 智造快訊】每年大約有200,000人因出生缺陷、外傷或接受外科手術(shù)等原因而出現(xiàn)頭骨或面部骨頭缺損，缺損的部位往往需要通過植入物手術(shù)進(jìn)行修復(fù)。
　　
　　醫(yī)生在進(jìn)行修復(fù)手術(shù)時(shí)使用的植入物是怎樣制造出來的呢？以下頜骨植入物為例，其中一種方法是醫(yī)生取下一段患者腿部的腓骨，經(jīng)過處理后植入下巴的骨缺損部位。隨著3D打印技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，3D打印植入物進(jìn)入到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。主要流程是由工程師根據(jù)骨缺損部位的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行植入物的設(shè)計(jì)，然后將植入物3D打印出來交付給醫(yī)生使用。由比利時(shí)外科醫(yī)生與LayerWise公司合作完成的世界首例3D打印鈦合金下頜植入物，就是其中一個(gè)經(jīng)典案例。
　　
　　如今，約翰霍斯大學(xué)的科學(xué)家以骨粉和聚合物的混合物以及人體干細(xì)胞為材料，研發(fā)一種全新的3D打印下頜骨植入物。本期，3D科學(xué)谷將與谷友分享這項(xiàng)科研成果。
　　
　　牛骨粉與PCL混合，促進(jìn)人體骨骼細(xì)胞生長(zhǎng)
　　
　　PCL（聚己內(nèi)酯）是一種可降解的聚合物，可作為3D打印下頜骨支架的材料。使用這種支架進(jìn)行骨骼的修復(fù)，科學(xué)家首先需要將人體的干細(xì)胞放置在支架上進(jìn)行培養(yǎng)，并誘導(dǎo)成為骨骼細(xì)胞，然后再將支架植入到體內(nèi)進(jìn)行骨骼的修復(fù)。雖然PCL材料的強(qiáng)度足夠大，但是并不利于促進(jìn)骨骼細(xì)胞的生長(zhǎng)。為了解決這個(gè)問題，約翰霍斯大學(xué)的科學(xué)家將一定比例的骨頭粉末混合到到PCL材料中來制造3D打印的支架。
　　
　　在實(shí)驗(yàn)中使用的骨頭粉末來自于牛的膝蓋骨內(nèi)側(cè)。約翰霍斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的格雷森博士表示，骨粉含有的結(jié)構(gòu)蛋白有助于促進(jìn)支架中的干細(xì)胞生長(zhǎng)為骨骼細(xì)胞。此外，它們?cè)黾恿酥Ъ艿谋砻娲植诙?，也有助于促進(jìn)干細(xì)胞的生長(zhǎng)。　　為評(píng)估骨粉與PCL復(fù)合材料的潛力，科學(xué)家將不同比例骨粉的混合物支架與單純PCL支架進(jìn)行了對(duì)比，骨粉的比例分別是：30%，70%和85%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，85%骨粉的材料是無法成功進(jìn)行3D打印的，這是由于PCL材料的比例過小，導(dǎo)致支架的孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。其他比例的混合材料可以順利制造出3D打印的支架。
　　
　　接下來的工作是測(cè)試細(xì)胞在不同支架中的生長(zhǎng)情況。科學(xué)家將人體脂肪干細(xì)胞放入支架中進(jìn)行培養(yǎng)和誘導(dǎo)。三周之后，細(xì)胞在混入70%骨粉的支架中生長(zhǎng)情況為理想。細(xì)胞在該支架中顯示出較高的生物活性，相比單純PCL材料的支架細(xì)胞的基因活性高出數(shù)百倍?；烊?0%骨粉的支架效果略低于70%骨粉的支架。　　下一步工作是引入一種細(xì)胞液β-甘油磷酸鈉，以產(chǎn)生促進(jìn)鈣質(zhì)沉積的細(xì)胞酶。結(jié)果表明，所有骨粉混合支架中產(chǎn)生的鈣質(zhì)都高于單純的PCL支架，其中70%骨粉的支架中產(chǎn)生的鈣質(zhì)是單純PCL支架的2倍，30%骨粉的支架中產(chǎn)生的鈣質(zhì)高出了30%。
　　
　　在完成了體外實(shí)驗(yàn)之后，科學(xué)家將這些混合物支架植小鼠體內(nèi)，進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。這些支架植入后第12周的CT圖像表明，70%和30%骨粉支架與單純的PCL支架相比，小鼠骨骼的生長(zhǎng)都至少多出50%。然而，兩種比例的骨粉混合物支架各有優(yōu)勢(shì)：70%骨粉的支架促進(jìn)骨骼形成的效果更好，而30%骨粉的支架強(qiáng)度更高。所以究竟哪種混合比例的支架治療效果更好，科學(xué)家還需要做進(jìn)一步的研究。
　　
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　　牛膝蓋骨粉末作為支架3D打印的材料已被FDA批準(zhǔn)，并且取得了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。約翰霍斯大學(xué)的科學(xué)家還希望使用人體骨頭粉末做進(jìn)一步的研究，以獲得更廣泛的臨床應(yīng)用。
　　
　　與截取人體腓骨作為下頜骨植入物的方式相比，3D打印鈦合金植入物不僅能夠避免人體腿部出現(xiàn)新的創(chuàng)傷，而且在設(shè)計(jì)上更加自由靈活。3D科學(xué)谷認(rèn)為，與金屬3D打印植入物相比，通過人體細(xì)胞和3D打印支架植入物進(jìn)行骨骼修復(fù)的方式有哪些優(yōu)勢(shì)或意義也是值得思考的問題。
　　
　　約翰霍斯大學(xué)發(fā)表的相關(guān)論文題目為：《Three-DimensionalPrintingofBoneExtracellularMatrixforCraniofacialRegeneration》，發(fā)表于ACSBiomaterials期刊中。對(duì)這項(xiàng)科研成果有興趣的醫(yī)學(xué)界朋友可以進(jìn)一步了解。