科學(xué)家采用新材料3D打印的超彈性骨可用于顱骨修復(fù)

《Plastic and Reconstructive Surgery》雜志五月刊，報道了一種3D打印的超彈性骨（hyperelastic bone）合成材料，該材料有望成為一種經(jīng)濟(jì)有效的顱頜面修復(fù)新材料。這項科研成果是由美國西北大學(xué)和伊利諾斯大學(xué)健康大學(xué)的Ramille N. Shah博士研究團(tuán)隊開展的，初步研究結(jié)果顯示，該材料加速了大鼠顱骨缺損的骨再生。

圖片：3D打印超彈性骨支架的微型計算機斷層掃描圖，來源：Plastic and Reconstructive Surgery。

通過3D打印實現(xiàn)快速廉價生產(chǎn)

      研究團(tuán)隊表示，顱頜面部重建領(lǐng)域?qū)τ诮?jīng)濟(jì)有效的骨替代材料需求量大，超彈性骨有很大的潛力可以應(yīng)用在這一領(lǐng)域。研究人員報告了通過該材料進(jìn)行大鼠動物實驗的結(jié)果。在手術(shù)中產(chǎn)生頭骨頂部缺陷的大鼠中使用超彈性骨的初步實驗。用于實驗的大鼠頭的顱骨有一個缺損，該缺損屬于難以自行愈合的“臨界尺寸”。這一缺損情況，接受過腦腫瘤手術(shù)的患者情況類似。

上圖：超彈性骨和硫酸銅（CuSO4）材料，以及具有8mm直徑的3D打印支架 ；左下圖：8mm直徑超彈性骨支架的微計算機斷層掃描重建（自上而下和橫截面視圖）； 右下圖：微型計算機斷層掃描截面圖的細(xì)節(jié)，突出了相關(guān)的尺寸和特征。

      研究團(tuán)隊開發(fā)的超彈性骨材料是一個3D打印支架，制造支架的材料主要由羥基磷灰石（骨礦物質(zhì)）和廣泛使用的生物相容性材料聚乙醇酸組成。支架具有復(fù)雜的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有助于新骨的生長和再生，并且具有足夠的延展性，在手術(shù)期間易于進(jìn)行壓配或切割。這種超彈性骨修復(fù)支架，可以通過3D打印設(shè)備進(jìn)行快速而廉價的生產(chǎn)。

      在動物實驗中，研究人員除了使用3D打印超彈性骨進(jìn)行顱骨缺損修復(fù)之外，還分別使用了動物自體，以及不包含骨礦物質(zhì)材料的修復(fù)支架修復(fù)其他顱骨缺損部位。自體骨是重建骨缺損的首選材料，但這種天然材料難以獲得，需要從從身體其他部位采取骨骼，有的時候根本無法獲得適合的自體骨。

      實驗結(jié)果表明，3D打印的超彈性骨提供了良好的骨再生。在隨訪CT掃描中，與自體骨相比，超彈性骨在8周后有效率約為74％，12周時有效率為65％。而僅包含聚乙醇酸材料不包含骨礦物質(zhì)材料的支架所修復(fù)的缺損處，僅顯示出很少的新骨形成。顯微鏡檢查顯示，超彈性骨支架首先被纖維組織逐漸包圍，然后被新骨細(xì)胞包圍。隨著時間的推移，支架將逐漸被新骨完全替換，并結(jié)合植入的骨礦物質(zhì)。

根據(jù)研究團(tuán)隊，隨著超彈性骨修復(fù)支架技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，他們相信這種3D打印材料可以成為自體骨和市場上已有的顱頜面修復(fù)植入物的替代品。接下來，研究團(tuán)隊需要進(jìn)一步的實驗研究來確認(rèn)超彈性骨適用于哪些特定類型的顱面重建。

 Review

與傳統(tǒng)顱骨修復(fù)植入物制備方式相比，3D打印技術(shù)制造顱骨材料主要有兩個方面的優(yōu)勢：

-制備出外形與缺損部位尺寸高度匹配的植入物，減少醫(yī)生在手術(shù)時手工進(jìn)行修型、裁剪的工作量，并減少手術(shù)時間，降低患者術(shù)后感染風(fēng)險；[1]

-制備多孔顱骨修復(fù)支架工藝很多，但傳統(tǒng)多孔支架材料的制備方法為人工操作，重復(fù)性差，添加的制孔劑存在潛在的毒副作用，孔連通性較差，或者無法控制孔徑大小，更無法制造具有復(fù)雜外形的骨修復(fù)支架。3D打印技術(shù)可在很大程度上實現(xiàn)支架的孔隙率、孔徑、孔容積、空間排布和其他表面特征的可控性，為骨組織工程支架的構(gòu)建提供了一條新的途徑。[2]

      我國科研機構(gòu)與企業(yè)對于3D打印羥基磷灰石合成材料支架在骨缺損領(lǐng)域的應(yīng)用也進(jìn)行了深入研究。例如，廣州聚普科技有限公司對自體骨粉、羥基磷酸鈣和稀磷酸進(jìn)行合理的配比，制備出合適的混合材料，并在一定溫度下進(jìn)行3D打印，最終獲得機械強度較高的人工顱骨修補片。

參考資料：

[1] CN201610212476，一種3D打印的人工顱骨修補片及其制備方法。

[2] CN201811166441， 一種磷酸鈣/生物活性玻璃骨修復(fù)支架及其制備方法。

Three-Dimensionally Printed Hyperelastic Bone Scaffolds Accelerate Bone Regeneration in Critical-Size Calvarial Bone Defects.

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