3D打印的“超弹性骨”有望成为颅骨修复的新材料

2019.05.24

目前,骨移植手术采用的的材料包括自体骨、异体骨、异种骨以及人工合成材料。其中,自体骨是选择患者身体其他部位切取合适大小的骨骼,植入病变骨质受损部位。自体骨移植的优势在于自体骨含有多种干细胞、细胞因子和生长因子,促进组织愈合和再血管化,同时不存在免疫排斥的风险。


但是,毕竟自体骨难以应对大量骨移植问题,而且这种手术无疑意味着患者需要经历“二次伤害”,恢复的时间相对较长。同时,异种骨、异体骨普遍存在潜在病毒传播、并发性感染等隐患。


所以,科学家们开始转向人工合成。


《Plastic and Reconstructive Surgery》杂志五月刊,报道了一种3D打印的超弹性骨(hyperelastic bone)合成材料,该材料有望成为一种经济有效的颅颌面修复新材料。


这项科研成果是由美国西北大学和伊利诺斯大学健康大学的Ramille N. Shah博士研究团队开展的,初步研究结果显示,该材料加速了大鼠颅骨缺损的骨再生。


图1:3D打印超弹性骨支架的微型计算机断层扫描图,来源:Plastic and Reconstructive Surgery。


研究人员称,这种高弹性骨在颅面部重建手术中潜力巨大,可以用于替代成本较高的骨组织移植。


研究人员报告了通过该材料进行大鼠动物实验的结果。在手术中产生头骨顶部缺陷的大鼠中使用超弹性骨的初步实验。用于实验的大鼠头的颅骨有一个缺损,该缺损属于难以自行愈合的“临界尺寸”。这一缺损情况,接受过脑肿瘤手术的患者情况类似。


图2:超弹性骨和硫酸铜(CuSO4)材料,以及具有8mm直径的3D打印支架 ;左下图:8mm直径超弹性骨支架的微计算机断层扫描重建(自上而下和横截面视图); 右下图:微型计算机断层扫描截面图的细节,突出了相关的尺寸和特征。


研究团队开发的超弹性骨是一种“3D打印合成支架”,主要由骨矿物(羟基磷灰石)和广泛使用的生物相容性材料(聚乙醇酸)组成,拥有复杂的网状结构。超弹性骨可以使用当前的3D打印硬件平台快速、廉价地生产,高延展性也可以支撑手术期间的压合与切割,对于新骨的生长和再生具备自身独特优势。


研究人员使用超弹性骨对颅骨顶部缺陷的大鼠进行手术。实验证明,一些颅骨缺损是由超弹性骨自建的,另一些是大鼠自体骨重建的。自体骨是重建骨缺损的首选材料,但其需要从身体其他部位取出,获取难度较大。在其他动物中,研究人员使用聚乙醇酸制成的支架进行重建,不使用骨矿物质。


后续的CT扫描结果显示,与自体骨相比,8周后的高弹性骨有效率约为74%,12周后有效率为65%。根据显微镜观察,超弹性骨支架首先被纤维组织逐渐包裹,然后被新生骨包裹。随着时间的推移,支架会逐渐被新骨完全取代,包括植入的骨矿物质。相比之下,聚乙醇酸支架治疗的骨缺损则几乎没有新骨形成。


研究人员表示,随着超弹性骨修复支架技术的进一步发展,他们相信这种3D打印材料可以成为自体骨和市场上已有的颅颌面修复植入物的替代品。接下来,研究团队需要进一步的实验研究来确认超弹性骨适用于哪些特定类型的颅面重建。


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