未來，我們或許可以利用3D打印的超彈性支架解決骨骼移植、再生修復(fù)問題。

這是西北大學(xué)的研究團(tuán)隊對于最新研究成果美好的期許。他們開發(fā)出一種“超彈性骨頭”：一種經(jīng)3D打印技術(shù)生成的新型生物支架，可以自由伸縮成各種形狀以匹配移植所需的尺寸，并且能夠在動物體內(nèi)促進(jìn)血管生成、骨骼修復(fù)。

骨移植常用的材料

目前，骨移植手術(shù)采用的的材料包括自體骨、異體骨、異種骨以及人工合成材料。其中，自體骨是選擇患者身體其他部位切取合適大小的骨骼，植入病變骨質(zhì)受損部位。自體骨移植的優(yōu)勢在于自體骨含有多種干細(xì)胞、細(xì)胞因子和生長因子，促進(jìn)組織愈合和再血管化，同時不存在免疫排斥的風(fēng)險。

但是，畢竟自體骨難以應(yīng)對大量骨移植問題，而且這種手術(shù)無疑意味著患者需要經(jīng)歷“二次傷害”，恢復(fù)的時間相對較長。同時，異種骨、異體骨普遍存在潛在病毒傳播、并發(fā)性感染等隱患。

所以，科學(xué)家們開始轉(zhuǎn)向人工合成。利用硫酸鈣、磷酸鈣等天然或人工聚合物材料合成骨傳導(dǎo)支架，其優(yōu)勢在于可控制、可降解、可塑性強(qiáng)，且無抗原性和潛在疾病傳播風(fēng)險。當(dāng)支架植入體內(nèi)，會與干細(xì)胞、細(xì)胞因子等復(fù)合，促進(jìn)骨骼的再生和修復(fù)。

形象點講，骨傳導(dǎo)支架類似于建筑物的“主體鋼架”，而干細(xì)胞、生長因子等則扮演著“建筑工人”的角色，負(fù)責(zé)沿著鋼架堆砌墻面、地板并組裝門窗。

但是，已有的生物支架存在很多缺陷?？茖W(xué)家們無法快速、充分、可重復(fù)地獲取新骨骼，而且已有的再生材料成本昂貴，且不易手術(shù)操作、存在免疫排斥風(fēng)險。

超彈性骨骼：由什么構(gòu)成？

歸結(jié)于上述發(fā)展的局限性，西北大學(xué)的科學(xué)家們試圖尋找新的材料，以克服面臨的困難和問題。最終，他們研發(fā)出“超彈性骨骼”。相關(guān)研究成果于9月28日發(fā)表在Science子刊《Science Translational Medicine》。

它是一種由羥磷灰石、聚已酸內(nèi)酯和溶劑構(gòu)成的新型支架，其中，羥磷灰石（hydroxyapatite）是一種存在于我們的骨骼和牙齒中的天然礦物質(zhì)，負(fù)責(zé)提供支撐力，并指引干細(xì)胞分化；聚已酸內(nèi)酯（polycaprolactone）是一種具有生物相容性的聚合物，負(fù)責(zé)增加支架的靈活度。溶劑負(fù)責(zé)在3D生物打印過程中將材料黏著在一起。

借助3D打印設(shè)備，這些材料經(jīng)過混合可以一層層構(gòu)建出精密的骨傳導(dǎo)支架。

優(yōu)勢有哪些？

材料科學(xué)工程師Ramille Shah表示：“超彈性支架合成快速。且自由靈活具有生物相容性，可以促進(jìn)骨骼再生，其打印速度達(dá)到275m3/小時。這意味著，患者接受X檢查和打印骨骼支架可以在同一天完成?！倍?，超彈性骨骼的孔隙度達(dá)到50%，其彈性有助于誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞分化、促進(jìn)細(xì)胞增殖。

為了驗證其可行性，研究團(tuán)隊選取脊椎損傷的小鼠、頭骨受損的猴子為模型，通過植入“超彈性支架”檢測其再生修復(fù)能力。

小鼠移植8周后，他們發(fā)現(xiàn)這一支架材料內(nèi)已經(jīng)生成新的血管，且干細(xì)胞也已經(jīng)生成骨骼細(xì)胞。相比于自體骨移植，這一支架能夠更有效地與小鼠椎骨愈合。同樣，猴子接受支架移植4周后，超彈性支架內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了血管和一些鈣化骨骼的生成。同樣重要的是，參加試驗的動物們并沒有出現(xiàn)明顯的治療副作用，例如炎癥或者感染。

研究意義

考慮到3D打印所用的材料（羥磷灰石+聚已酸內(nèi)酯+溶劑）都是生物工程學(xué)實驗室常用的化合物，所以這一特殊支架制作成本低廉。更為重要的是，支架打印速度快，平均每個不超過5小時。

這意味著，未來用于骨骼移植的支架能夠按照具體的規(guī)格快速打印且成批生產(chǎn)，外科醫(yī)生可以通過裁減、粘貼將其塑造成符合患者需求的尺寸。

不過，在投入臨床試驗之前，仍然需要擴(kuò)大動物試驗規(guī)模。一旦成功，研究人員認(rèn)為這一3D打印支架將給組織工程、再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來質(zhì)的飛躍，未來它將在腫瘤切除、整形修復(fù)等手術(shù)中廣泛應(yīng)用。