要制造一個(gè)好的框架來填補(bǔ)人體缺失的骨骼，用30%的粉狀天然骨加上一些特殊的人造塑料，再用一臺(tái)3D打印機(jī)打印出所需的形狀即可。這就是約翰·霍普金斯大學(xué)的研究人員4月18日在線發(fā)表在《ACS Biomaterials Science & Engineering》雜志上的一篇論文的結(jié)論。
約翰·霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家們說，每年都會(huì)有大約20萬人因?yàn)槌錾毕?、?chuàng)傷或手術(shù)原因需要更換頭部或者臉部的骨骼。迄今為止，對(duì)于這些患者最好的治療方案是從病人不承擔(dān)身體重量的腓骨上取下一段骨頭，然后把它切成所需的形狀并植入正確的位置。但是該校醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系副教授Warren Grayson博士認(rèn)為，這種方法不僅會(huì)造成腿部創(chuàng)傷，而且由于腓骨相對(duì)比較直，難以跟臉部的曲線擬合得特別好。
    為了解決這一問題，研究人員們轉(zhuǎn)向了3D打印技術(shù)。眾所周知，這一技術(shù)非常擅長(zhǎng)用塑料制造出極其精確的結(jié)構(gòu)——包括準(zhǔn)確的解剖結(jié)構(gòu)。不過“放在塑料支架上的細(xì)胞需要一些引導(dǎo)因子才能夠轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌?xì)胞”。Grayson博士說：“理想的支架是另一塊骨頭，但是天然骨骼通常無法非常精確地重新塑造。”
    為此，Grayson和他的團(tuán)隊(duì)希望通過實(shí)驗(yàn)找到一種復(fù)合材料來3D打印骨骼支架，這種材料要能夠?qū)⑺芰系膹?qiáng)度和可打印性與天然骨里存在的生物“信息”結(jié)合起來。
科學(xué)家們一開始就選擇了聚己內(nèi)酯（PCL），這是一種可降解聚酯，經(jīng)常用于制造那些已經(jīng)獲得FDA批準(zhǔn)可以用于臨床的聚亞安酯。“PCL會(huì)在80到100攝氏度的時(shí)候融化，這個(gè)融點(diǎn)低于大多數(shù)塑料，所以對(duì)于那些通常會(huì)在較高溫度下?lián)p壞的生物材料來說，這是一個(gè)很好的混合對(duì)象。”Grayson團(tuán)隊(duì)里的研究生Ethan Nyberg說。
盡管PCL的強(qiáng)度很高，但是研究團(tuán)隊(duì)從以往的研究中了解到，它并不能很好地支持新骨的形成，所以科學(xué)家們將它與骨粉混合在一起。這種骨粉是將牛膝蓋骨內(nèi)部的多孔骨骼剝離細(xì)胞之后粉碎制成的。
“骨粉中含有源于生物體的結(jié)構(gòu)蛋白再加上親骨生長(zhǎng)因子，可以幫助不成熟的干細(xì)胞成熟為骨細(xì)胞。”Grayson說：“它也增加了PCL的粗糙度，這有助于細(xì)胞的抓附和強(qiáng)化了生長(zhǎng)因子的信息。”
Grayson稱他們對(duì)該復(fù)合材料進(jìn)行的第一個(gè)測(cè)試是可打印性。其中5份骨粉含量為30%和70%的混合物表現(xiàn)出色。而當(dāng)骨粉的比例達(dá)到85%時(shí)，由于PCL“膠水”太少而不能保持清晰的晶格形狀，因此在隨后的實(shí)驗(yàn)中被淘汰。另外，為了研究該支架是否能夠刺激骨骼形成，研究人員通過吸脂術(shù)為支架添加人類脂肪源性干細(xì)胞，并將支架浸在缺乏親骨成分的營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中。 三周之后，在含有70%粉骨的支架上的細(xì)胞的基因活性比純PCL支架上生長(zhǎng)的細(xì)胞高出幾百倍，而在含有30%的骨粉的支架上的細(xì)胞的基因活性也很高，但沒有前者那么令人印象深刻升幅。
隨后，科學(xué)家們將關(guān)鍵成分β-甘油磷酸加到細(xì)胞的培養(yǎng)基中，使它們的酶可以沉積骨骼的主要礦物質(zhì)——鈣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與在純PCL支架上的細(xì)胞相比，在30%骨粉支架上的細(xì)胞每個(gè)多產(chǎn)生大約30%的鈣，而那些在70%支架上的細(xì)胞可以產(chǎn)生超過兩倍的鈣。
最后，研究團(tuán)隊(duì)將其支架在小鼠身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)小鼠的頭骨被研究人員弄出了一個(gè)很大的洞，如果沒有干預(yù)的話，這頭骨的創(chuàng)面太大不可能自行愈合。在隨后12周的實(shí)驗(yàn)里，研究人員將裝滿干細(xì)胞的支架植入小鼠的傷口，讓新骨在洞里生長(zhǎng)。CT掃描顯示與純PCL支架相比，那些含有30%或70%的骨粉的支架骨骼生長(zhǎng)量至少增加了50%。
“在培養(yǎng)基實(shí)驗(yàn)中，含70%骨粉的支架要比含30%骨粉的支架更能促進(jìn)骨的形成。”Grayson說格雷森：“但是30%的支架強(qiáng)度更高一些。由于在老鼠頭骨實(shí)驗(yàn)中兩者的區(qū)別并不大，我們正在進(jìn)行更進(jìn)一步的研究以找出哪種混合整體效果最佳。”
雖然"脫細(xì)胞"的牛骨已經(jīng)被FDA批準(zhǔn)可用于臨床使用，研究人員們說，在今后的研究中，他們希望能測(cè)試人類骨粉，因?yàn)楹笳叩呐R床應(yīng)用更為廣泛。

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