骨头到底是怎么生长的?
项目来了 | 用3D打印材料,给缺损的骨头“牵线搭桥”
3D打印骨骼,是哪里的骨头有缺损了,用特殊材料打印出来一个形状一样的,然后装上去就能代替缺损的那一块吗?
预想中是的!
人的骨头虽然有再生能力,但是极有限。3D打印骨骼的主要任务,是暂时代替缺损了的骨头,并且利用3D打印特殊制造的结构进行牵线搭桥,引导周围骨细胞健康成长,最后用自身天然再生的骨骼代替3D打印骨骼。
骨头的生长,首先是新细胞形成;然后,这些细胞会产生一些特殊的有机物,成为环绕自身的基质;接着钙盐在基质里沉淀,让它们逐渐变硬,就形成了骨头。
骨骼绝对是人体组织中“硬汉”一样的存在:撑起人体的挺拔身姿,给“软弱”的脑组织和内脏提供强硬保护,和骨骼肌、肌腱、韧带、关节一起让身体动起来,此外人体的代谢、造血也都需要骨骼出一份力……
但是这位“硬汉”也有容易受伤的时候,例如骨折、骨肿瘤等,都会造成骨缺损。
骨头缺损,也就是两头的细胞之间出现了“鸿沟”,根据具体受伤部位的不同,“鸿沟”在3-5厘米以内的,细胞还能靠自己“跨”过去,然后慢慢重新长到一起;如果这个距离再大一点,细胞“跨”不过去了,就需要依靠一些辅助手段让它们“相遇”。
目前的辅助手段主要是填充。使用的填充物,有从患者自己身体里取出一些非承重部位的骨头,比如髂骨,也有从其他人体中取出的骨头,然后填充到缺失的部位。
取自己身体里的骨头来填充,听起来有点“拆了东墙补西墙”的意思,而且身体中可取的骨量有限,取骨还需要几次开刀,术后感染率比较高。
3D打印骨头,准确来说是3D打印骨修复材料,针对不同受伤部位,通过电脑程序,设计好填补缺损的形状,使用具有生物活性的物质或细胞相结合的材料,打印出填充物支架,放进缺损部位,来引导骨细胞的生长。
△3D打印人工骨材料(深圳特区报拍摄)
△打印形貌
3D打印会用到哪些材料?
既然打印出的支架是要植入人体的,那么对材料的基本要求就是无毒无害。
给缺损了的骨头牵线搭桥,首先要找到让骨细胞“喜欢”的合适的生物材料,同时要打印出内部的营养输送通道,让细胞“活”得更久;而且,还要能很好地和人体组织相融;等“桥”搭好了,3D打印支架也要功成身退,在最合适的时候慢慢降解,不管是被人体吸收还是被排出体外,总之不能一直待在原位影响新骨头的生长。
△复合结构支架
△层错支架
中科院深圳先进院转化医学研究与发展中心的3D打印骨修复材料团队发现,活性镁是很好的骨修复打印材料,并且已经在2014年取得技术专利。
秦岭教授是这个项目的技术领头人,团队成员包括赖毓霄博士、王新峦博士、张鹏博士等34人。
△先进院3D打印骨修复实验室
赖毓霄告诉我们,不同于常用的生物材料,比如生长因子、蛋白因子等,存在剂量不好控制且不易保存、制备过程中容易失去活性等问题,活性镁保存方便,而且是人体第四大微量元素,用作生物打印材料,容易被人体吸收。而且骨头中本就含有镁,人体每天都需要一定的镁元素,来增加肌内免疫力,所以活性镁打印出的支架也能很好地促进骨骼生长。
△三角形孔形打印
△复合结构支架打印
通过3D打印技术,科研人员可以调控镁的浓度和分布,设计微观结构,让它最有利于骨组织再生;同时设计宏观结构,让打印出的支架和受损部位的形状、尺寸相吻合。同时,支架的降解速度也可以自己调控。
目前,团队已经成功对兔子、鸵鸟进行了试验。赖毓霄说,选择鸵鸟试验,是因为鸵鸟和人类都属于“两脚兽”,比起兔子,鸵鸟的结构会和人体更加类似。
不过,由于生物支架的硬度有限,而且还会按时降解,所以建议主要还是用于一些非承重部位的填充,比如人体上肢、躯干、手指等。如果要用在下肢等承重部位,还需要一些金属内固定物的辅助等。
赖毓霄说,目前3D打印骨修复材料还属于新兴领域,这个项目计划在三至四年内拿到生产许可,并且开始量产。
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读创记者 袁斯茹
文字与部分图片资料来自先进院
编辑 春儿
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