3D打印超弹性骨：个性化骨移植指日可待

材料牛注：日前，美国西北大学研究团队发现了一种3D打印 “超弹性骨”材料，其形状可以轻松定制，生物相容性好，且可迅速诱导骨再生，有望推动骨移植的个性化发展。

美国西北大学研究团队开发了一种3D打印墨水，用于生产合成骨植入物。这种“超弹性骨”材料，可以迅速诱导骨再生和生长，形状轻松定制，有望在儿童骨缺损治疗中发挥重要作用。

骨植入手术是从身体其他部位取出一段骨头，取代缺失的骨头，这往往会导致其他并发症和疼痛。骨植入手术从来不是一个简单的过程，特别对于儿童而言，将意味着更严重的痛苦和麻烦。手术有时会使用金属植入物，但对于成长的儿童来说这并非长久之计。

“对于植入物，成年人会有更多的选择，幼儿患者却没有。如果你给他们植入一个永久性植入物，随着他们的成长，你必须在未来做更多的手术，并且他们可能面临数以年计的麻烦。”研究负责人Ramille N. Shah说。

Shah是西北大学McCormick工程学院材料科学与工程学和Feinberg医学院外科学助理教授。她和她的团队希望改变骨移植物的属性，尤其希望能帮助到儿童患者。研究采用人类干细胞和动物模型对材料性能进行评估，该研究成果已于9月28日发表在Science Translational Medicine上，在Shah实验室做博士后的Adam E. Jakus是该论文的第一作者。

Shah的3D打印材料由羟基磷灰石（在人骨中发现的自然钙矿物）与一种具有生物相容性、可生物降解的高分子材料（该材料广泛应用于许多医疗应用，包括缝合线）混合而成。该“超弹性骨”材料在动物体模型中显示出巨大的潜力，这得益于其独特的印刷结构性能。大多数羟基磷灰石在纳观，微观和宏观层次都表现出超弹性、鲁棒性和多孔性。

“当组织再生时，细胞和血管会渗透到支架，所以孔隙率是巨大的，而我们的3D结构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说。

虽然羟基磷灰石已被证明可以诱导骨再生，但使用羟磷灰石或其它磷酸钙陶瓷制备的临床产品硬而脆，这也是众所周知的棘手难题。为了弥补不足，以前的研究者创造了由大量聚合物组成的结构，但是丧失了生物陶瓷的活性。然而，Shah的骨生物材料，由90wt.%的羟基磷灰石和10wt.%的聚合物组成，结构预先设计并通过3D打印制造，因而仍保持着弹性，高浓度的羟基磷灰石为诱导骨快速再生创造了环境。

“细胞可以感知羟基磷灰石并进行生物活性的回应，当你把干细胞放在我们的支架上时，在没有任何其他的骨诱导物质存在的情况下，它们会转变成骨细胞，并开始上调自己的骨特异性基因的表达，这只是细胞与材料本身之间的相互作用。

但这并不是说其他物质不能被组合成油墨。由于3D打印过程是在室温下进行，我们能够将其他元素，如抗生素，混合到油墨中以减少术后感染的可能性。如果需要的话，我们还可以将油墨与不同类型的生长因子结合，进一步提高再生性能，这是一个真正的多功能材料。” Shah说。

然而，该材料最大的优点是，最终产品可以定制。在传统的骨移植手术中，从身体的另一部分获得的骨，需要被塑造成完全契合适合它植入部分的形状。而使用Shah的合成材料，医生将能够扫描病人的身体并3D打印个性化产品。另外，由于机械性能优异，该生物材料也可以修剪，并被切割成任意大小和形状。相比采用自体移植材料，这种材料不仅更快且痛苦更少。

Shah认为有一天医院可能会有3D打印机，患者可以24小时排队打印定制植入物，这对于颅颌面整形外科手术将是一个重大变革。

原文链接：Promising biomaterial to build better bones with 3-D printing.

文献链接：Hyperelastic “bone”: A highly versatile, growth factor–free, osteoregenerative, scalable, and surgically friendly biomaterial.

本文由材料人编辑部杨超提供素材，王飞编译，薛文嘉审核，点我加入材料人编辑部。