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2018
04-16

一个更好的骨替代:3D打印的骨头与正确的混合成分


这是一个示例3D打印的脚手架,匹配一名女性患者的下巴。

天然和人造材料的混合效果最好,在老鼠的研究中显示

为了填补缺失的骨骼的一个很好的框架,混合至少30%粉碎的天然骨头与一些特殊的人造塑料,并创建3D打印机需要的形状。这是约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)研究人员在4月18日在线发表的一篇论文中报道的成功秘诀ACS生物材料科学与技术(ACS Biomaterials Science&工程

约翰霍普金斯大学的科学家说,每年出生缺陷,创伤或手术都会使估计有20万人需要更换头部或面部的骨头。从历史上看,最好的治疗方法要求外科医生去除患者腓骨的一部分(不承受多重的腿骨),将其切成所需的一般形状,并将其植入正确的位置。但据约翰霍普金斯大学医学院生物医学工程副教授,报告的资深作者沃伦·格雷森博士说,手术不仅造成腿部创伤,而且由于相对较直的腓骨不能造成腿部创伤被塑造适合脸的微妙的曲线非常好。

这导致调查人员进行三维打印,或所谓的增材制造,通过在连续的超薄材料层上打桩,从数字计算机文件创建三维物体。 Grayson说,这个过程擅长从塑料制造出非常精确的结构 - 包括解剖学上精确的结构 - 但是塑料支架上的细胞需要一些指导性的线索才能成为骨细胞。 “理想的脚手架是另一块骨头,但天然骨头通常不能很精确地重新塑造”。

在他们的实验中,Grayson和他的团队着手制作复合材料,将塑料的强度和可印刷性与包含在自然骨骼中的生物“信息”。

他们从聚己内酯(PCL)开始,PCL是一种生物降解聚酯,用于制造已被FDA批准用于其他临床用途的聚氨酯。研究生伊森·恩伯格(Ethan Nyberg)说:“PCL在80到100摄氏度(176到212华氏度)的温度下融化,比大多数塑料要低很多,所以和生物材料混合是一个很好的选择。格雷森的团队

PCL也相当强大,但是从以前的研究中知道它不支持新骨的形成。所以他们把它与越来越多的“骨粉”混合在一起,通过在剥离细胞之后将牛膝盖内的多孔骨粉碎。

Grayson说:“骨粉含有天然的人体结构蛋白,以及促进未成熟干细胞成熟进入骨细胞的促骨生长因子。 “这也增加了PCL的粗糙度,这有助于细胞抓住和强化生长因子的信息。”

复合材料的第一个测试是印刷适性,格雷森说。 5%,30%和70%的骨粉混合物表现良好,但是85%的骨粉具有太少的PCL“胶”以保持明确的晶格形状,并且在未来的实验中被丢弃。 Nyberg说:“这就像巧克力曲奇,巧克力芯片太多。

为了找出支架是否促进骨形成,研究人员在吸脂过程中添加了人类脂肪来源的干细胞,将其浸入缺乏亲骨成分的营养肉汤中。在三个星期后,与在纯PCL支架上生长的细胞相比,在70%的骨粉支架上生长的细胞在三个指示骨形成的基因中显示出几百倍的基因活性。在30%的骨粉支架上的细胞显示出相同基因的较大但不太令人印象深刻的增加。

在科学家将关键成分β-甘油磷酸酯添加到细胞培养液中以使其酶能够沉积钙(骨骼中的主要矿物质)之后,30%支架上的细胞每细胞产生约30%的钙,而70 与纯PCL支架相比,每个细胞的支架产生的钙超过两倍。

最后,研究小组在他们的骷髅骨头上有相对较大的孔洞的小鼠中测试了他们的脚手架。没有干预,骨伤太大而无法愈合。在实验的12周内,获得支架植入物的小鼠在干细胞内具有新的骨生长。 CT扫描结果显示,与纯PCL相比,含30%或70%骨粉的支架骨生长至少多50%。 “在肉汤实验中,70%的脚手架促进骨形成比30%的脚手架好得多,”Grayson说,“但是30%的脚手架更强。由于两种支架在修复小鼠头骨方面没有区别,我们正在进一步研究哪一种混合物是最好的。“

虽然”脱细胞“牛骨的使用已被FDA批准用于临床在未来的研究中,研究人员说,他们希望能够测试人体骨头制成的骨粉,因为它在临床上被广泛使用。他们也想试验脚手架内部的设计,使它更少几何和更自然。他们计划测试添加剂,这些添加剂可以促使新血管浸润支架,这对于较厚的骨植入物来说是必要的。

来源:约翰霍普金斯医学院