利用3D打印技術(shù)修復(fù)骨骼

魔猴君  科技前沿   42天前

你知道嗎？用于填補骨骼孔洞的醫(yī)用膠水不僅不環(huán)保，而且還可能引發(fā)嚴(yán)重的炎癥風(fēng)險。韓國成均館大學(xué)（SKKU）的研究人員開發(fā)了一種更巧妙的骨骼修復(fù)技術(shù)——利用3D打印技術(shù)。這項技術(shù)需要一種經(jīng)過改進(jìn)的膠槍，能夠在手術(shù)過程中將骨移植物直接打印到活體組織上。

骨骼是活組織，堅硬無比，但并非堅不可摧。在嚴(yán)重骨折時，骨骼中可能會出現(xiàn)較大的空隙，形成必須通過手術(shù)填補的孔洞。傳統(tǒng)上，外科醫(yī)生使用生物醫(yī)學(xué)膠水將骨碎片重新連接，以促進(jìn)自然骨骼再生。然而，這種膠水可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的炎癥、術(shù)后并發(fā)癥、延遲愈合等。此外，這種膠水既不可生物降解，也不環(huán)保。生物醫(yī)學(xué)工程副教授Jung Seung Lee的團(tuán)隊利用3D打印技術(shù)找到了一種創(chuàng)新的替代方案來解決這一問題。他們使用一種改進(jìn)的膠槍，將合成骨移植物3D打印到受損骨骼上。教授解釋說：“該支架的設(shè)計不僅能夠與周圍骨組織進(jìn)行生物整合，還能隨著時間的推移逐漸降解，并被新形成的骨骼取代。結(jié)果表明，打印組在骨表面積、皮質(zhì)厚度和極慣性矩等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)方面表現(xiàn)更佳，這表明骨愈合和整合效率更高?！?/span>

研究人員用一種生物相容性配方取代了傳統(tǒng)的手術(shù)膠，該配方由聚己內(nèi)酯(PCL)（一種以穩(wěn)定骨組織而聞名的聚合物）和羥基磷灰石（一種天然存在于人體骨骼中的礦物質(zhì)）組成。這種混合物隨后被轉(zhuǎn)化為固體棒，類似于傳統(tǒng)熱熔膠槍中使用的棒。插入裝置后，這些棒被加熱到低溫（60°C），以半液態(tài)材料的形式擠出，直接作用于受損骨骼。

研究人員開發(fā)了3D支架技術(shù)：類似于3D打印機(jī)，該技術(shù)將膠水以連續(xù)的薄層形式沉積，從而形成一個立體結(jié)構(gòu)。與預(yù)先設(shè)定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)移植物不同，這項技術(shù)能夠完美地貼合骨間隙。“我們提出的技術(shù)通過開發(fā)一種原位打印系統(tǒng)，提供了一種獨特的方法，可以實時制造支架并將其直接應(yīng)用于手術(shù)部位，”Jung Seung Lee教授說道。這種方法能夠以更健康、更環(huán)保的方式促進(jìn)骨骼更好地恢復(fù)。

改良的膠槍使用PCL（聚己內(nèi)酯）和羥基磷灰石復(fù)合材料直接在體內(nèi)修復(fù)骨折，如圖所示。右圖所示，骨折處被這種打印材料填充，促進(jìn)骨骼自然重建。

此外，傳統(tǒng)方法通常需要口服抗生素來預(yù)防術(shù)后感染。相比之下，新裝置可以將萬古霉素或慶大霉素等抗生素直接整合到注射材料中，從而提高治療的局部有效性，同時降低細(xì)菌耐藥性的風(fēng)險。

為外科醫(yī)生提供更實用的工具

這種制造方法比骨水泥更靈活。首先，骨水泥在設(shè)計過程中可以快速固化，操作時間非常短。使用骨水泥槍，外科醫(yī)生可以從容操作，因為材料在低溫下緩慢固化。由于其操作簡便，移植物能夠完美貼合骨骼形狀，呈現(xiàn)更自然的外觀。簡而言之，這項技術(shù)大大簡化了手術(shù)流程，為醫(yī)生提供了更多時間、舒適度和可控性。該原型僅在患有嚴(yán)重股骨骨折的兔子身上進(jìn)行了測試。12周后，研究人員發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)骨水泥相比，骨水泥槍的骨再生效果更佳。

改裝膠槍的局限性

盡管結(jié)果令人鼓舞，但仍不足以完全證實該設(shè)備的有效性。事實上，該原型尚未在人體患者身上進(jìn)行測試，這意味著科學(xué)驗證尚不完善。此外，另一個挑戰(zhàn)是：滅菌條件不足。事實上，該設(shè)備的滅菌溫度高達(dá)120攝氏度。然而，該槍使用的塑料PCL（聚己內(nèi)酯）在60攝氏度時就會熔化。盡管如此，這項創(chuàng)新標(biāo)志著借助3D打印技術(shù)，朝著更精準(zhǔn)、更個性化的骨科手術(shù)邁出了充滿希望的一步。

編譯整理：3dnatives