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3D打印的“超彈性骨”有望成為顱骨修復的新材料

2019.05.24

目前,骨移植手術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,植入病變骨質受損部位。自體骨移植的優勢在于自體骨含有多種干細胞、細胞因子和生長因子,促進組織愈合和再血管化,同時不存在免疫排斥的風險。


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


所以,科學家們開始轉向人工合成。


《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濟有效的顱頜面修復新材料。


這項科研成果是由美國西北大學和伊利諾斯大學健康大學的Ramille N. Shah博士研究團隊開展的,初步研究結果顯示,該材料加速了大鼠顱骨缺損的骨再生。


圖1:3D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。


研究人員稱,這種高彈性骨在顱面部重建手術中潛力巨大,可以用于替代成本較高的骨組織移植。


研究人員報告了通過該材料進行大鼠動物實驗的結果。在手術中產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,接受過腦腫瘤手術的患者情況類似。


圖2: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節,突出了相關的尺寸和特征。


研究團隊開發的超彈性骨是一種“3D打印合成支架”,主要由骨礦物(羥基磷灰石)和廣泛使用的生物相容性材料(聚乙醇酸)組成,擁有復雜的網狀結構。超彈性骨可以使用當前的3D打印硬件平臺快速、廉價地生產,高延展性也可以支撐手術期間的壓合與切割,對于新骨的生長和再生具備自身獨特優勢。


研究人員使用超彈性骨對顱骨頂部缺陷的大鼠進行手術。實驗證明,一些顱骨缺損是由超彈性骨自建的,另一些是大鼠自體骨重建的。自體骨是重建骨缺損的首選材料,但其需要從身體其他部位取出,獲取難度較大。在其他動物中,研究人員使用聚乙醇酸制成的支架進行重建,不使用骨礦物質。


后續的CT掃描結果顯示,與自體骨相比,8周后的高彈性骨有效率約為74%,12周后有效率為65%。根據顯微鏡觀察,超彈性骨支架首先被纖維組織逐漸包裹,然后被新生骨包裹。隨著時間的推移,支架會逐漸被新骨完全取代,包括植入的骨礦物質。相比之下,聚乙醇酸支架治療的骨缺損則幾乎沒有新骨形成。


研究人員表示,隨著超彈性骨修復支架技術的進一步發展,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植入物的替代品。接下來,研究團隊需要進一步的實驗研究來確認超彈性骨適用于哪些特定類型的顱面重建。


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