研究人員使用3D打印的生物材料制作面部骨移植術(shù)

2020年6月5日,，南極熊從外媒獲悉,，來自德克薩斯農(nóng)工大學的研究人員將3D打印,、生物材料工程和干細胞生物學相結(jié)合,，創(chuàng)造出了新型,、更高效,、可定制的骨移植材料,。

利用這三項技術(shù)，科學家們制作出了3D打印的高造骨支架,，不僅可以促進骨細胞生長,，還可以作為定制形狀的骨再生的堅固平臺。這種新型的生物材料可以替代金屬和聚合物在整形手術(shù)中的使用,，皮膚移植物在愈合后能夠無縫地融入患者的頭骨中,。

生物醫(yī)學工程系副教授Roland Kaunas說："用于顱面骨植入物的材料要么是生物活性極低、極硬,，比如鈦,，要么是生物活性太強、太軟,，比如生物聚合物,，""在我們的研究中，我們開發(fā)了一種既具有生物活性又具有機械強度的合成聚合物,。這些材料還可以3D打印,，可以制作出既美觀又實用的定制型顱面植入物。"

研究人員的生物材料可用于制造一系列的面部植入物,，包括用于顴骨,、眼窩和下頜骨手術(shù)的植入物，圖片來自德克薩斯農(nóng)工大學（Texas A&M）

改進骨移植技術(shù)的需求

每年有20萬人的下頜骨,、面部或頭部受傷,。由此產(chǎn)生的手術(shù)往往需要使用鈦板和螺釘來固定這些斷裂的骨頭，并使周圍的骨細胞生長,，在植入物周圍形成一個覆蓋物,。雖然這種方法在幫助骨修復方面取得了相對的成功，但鈦并不總是能與骨組織結(jié)合,，這可能會導致植入物失敗,，晚期的情況下還會導致進一步的手術(shù)。

與自體移植物相比,，金屬和熱塑性塑料也更容易受到感染,、植入物擠壓和暴露、組織壞死和應力屏蔽,。骨移植被外科醫(yī)生認為是一種較好的替代方法,，但這種技術(shù)也有缺點,。直接應用骨組織依賴于有限的供體組織來源，會造成供體部位的病變,，而且即使如此,，顱骨中復雜幾何形狀的骨質(zhì)也無法輕易復制。

研究人員確定了生物相容性高分子材料,，更確切地說,，是生物凝膠，作為聚合物和金屬植入物的替代品,。這些可塑性強的材料是可取的,，因為一旦裝載了骨干細胞，這些凝膠可以被3D打印成任何預設的形狀,。此外,，與金屬電鍍不同，人體可以隨著時間的推移溶解水凝膠,，不會造成任何持久的損傷,。

利用3D打印的生物凝膠來制造骨移植體

雖然生物凝膠的柔韌性使其成為3D生物打印的理想材料，但其柔韌性也會影響到所生產(chǎn)的零件的機械完整性和精度,。為了使這種材料更加堅硬,，研究人員開發(fā)出了一種納米工程離子共價纏繞材料，簡稱 "NICE",。這種混合液的配方只包括三種主要成分：一種叫卡帕卡拉膠的海藻提取物,、明膠和納米硅酸鹽顆粒。這些元素的作用是刺激骨骼生長,，并對NICE水凝膠進行機械加固,，發(fā)現(xiàn)這種混合物的強度是其單個成分的8倍以上。

混合物制備完成后,，研究人員將成人干細胞加入到用NICE墨水打印的3D零件中,，然后通過化學誘導將干細胞轉(zhuǎn)化為骨細胞。在這個過程的兩周內(nèi),，科學家們發(fā)現(xiàn)這些細胞的數(shù)量增加了,，產(chǎn)生了大量的骨相關(guān)蛋白、礦物質(zhì)和其他分子,。這些細胞的分泌物形成了一種被稱為細胞外基質(zhì)的支架,，其中含有發(fā)育中的骨細胞生長和生存所需的生物材料的獨特成分。一旦支架完全發(fā)育完成,，骨細胞就可以被移除,，水凝膠基質(zhì)植入物就可以植入到顱骨損傷部位。

據(jù)研究人員稱，3D打印的支架強度有利于健康骨細胞的附著和生長,，同時允許發(fā)育中的骨細胞穿透合成材料,。這種水凝膠也具有彈性和韌性，允許人工操作,，同時還具有輕微的可壓縮性,，可以按壓貼合到缺損處。由于NICE移植物具有良好的生物和物理特性,，研究人員很想在不久的將來將該工藝用于脊柱融合的體內(nèi)骨再生,。

"雖然我們目前的工作主要集中在修復顱骨上,，但在不久的將來,，我們希望將這一技術(shù)不僅用于顱頜面缺損，還能在脊柱融合和其他損傷的情況下進行骨再生,，"Kaunas說,。

圖1. NICE和生物質(zhì)NICE（bNICE）支架的開發(fā)示意圖。

A）nSil和交聯(lián)的GelMA之間納米復合增強,， 以及κCA和GelMA的獨立聚合物網(wǎng)絡的離子共價糾纏,，使NICE油墨具有彈性和可打印性。

B）iP-hMSCs被播種在NICE支架上,，并在GW9662的存在下培養(yǎng)10天,，然后用去細胞化。用iP-hMSC衍生的ECM或bNICE修飾的支架,，用hMSCs播種并在體外,，培養(yǎng)8天和21天后進行成骨分化評估。

研究人員的研究結(jié)果詳見于他們發(fā)表在Advanced Healthcare Materials雜志上的題為 "Conditioning of 3D Printed Nanoengineered Ionic-Covalent Entanglement Scaffolds with iP-hMSCs Derived Matrix"的論文,。該研究由Candice Sears,、Eli Mondragon、Zachary I. Richards,、Nick Sears,、David Chimene、Eoin P. McNeill,、Carl A. Gregory,、Akhilesh K. Gaharwar和Roland Kaunas共同撰寫。

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2020-6-5 11:14 上傳

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