可快速廉價生產的3D打印“超彈性骨”，有望成為顱骨修復的新材料

來源：3D科學谷

《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。

hyperelastic bone scaffold圖片：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。

通過3D打印實現(xiàn)快速廉價生產
研究團隊表示，顱頜面部重建領域對于經濟有效的骨替代材料需求量大，超彈性骨有很大的潛力可以應用在這一領域。

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。

上圖：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(jié)，突出了相關的尺寸和特征。

研究團隊開發(fā)的超彈性骨材料是一個3D打印支架，制造支架的材料主要由羥基磷灰石（骨礦物質）和廣泛使用的生物相容性材料聚乙醇酸組成。支架具有復雜的網格結構，該結構有助于新骨的生長和再生，并且具有足夠的延展性，在手術期間易于進行壓配或切割。這種超彈性骨修復支架，可以通過3D打印設備進行快速而廉價的生產。

在動物實驗中，研究人員除了使用3D打印超彈性骨進行顱骨缺損修復之外，還分別使用了動物自體，以及不包含骨礦物質材料的修復支架修復其他顱骨缺損部位。自體骨是重建骨缺損的首選材料，但這種天然材料難以獲得，需要從從身體其他部位采取骨骼，有的時候根本無法獲得適合的自體骨。

實驗結果表明，3D打印的超彈性骨提供了良好的骨再生。在隨訪CT掃描中，與自體骨相比，超彈性骨在8周后有效率約為74％，12周時有效率為65％。而僅包含聚乙醇酸材料不包含骨礦物質材料的支架所修復的缺損處，僅顯示出很少的新骨形成。

顯微鏡檢查顯示，超彈性骨支架首先被纖維組織逐漸包圍，然后被新骨細胞包圍。隨著時間的推移，支架將逐漸被新骨完全替換，并結合植入的骨礦物質。

根據研究團隊，隨著超彈性骨修復支架技術的進一步發(fā)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。

根據市場研究，與傳統(tǒng)顱骨修復植入物制備方式相比，3D打印技術制造顱骨材料主要有兩個方面的優(yōu)勢：

-制備出外形與缺損部位尺寸高度匹配的植入物，減少醫(yī)生在手術時手工進行修型、裁剪的工作量，并減少手術時間，降低患者術后感染風險；[

-制備多孔顱骨修復支架工藝很多，但傳統(tǒng)多孔支架材料的制備方法為人工操作，重復性差，添加的制孔劑存在潛在的毒副作用，孔連通性較差，或者無法控制孔徑大小，更無法制造具有復雜外形的骨修復支架。3D打印技術可在很大程度上實現(xiàn)支架的孔隙率、孔徑、孔容積、空間排布和其他表面特征的可控性，為骨組織工程支架的構建提供了一條新的途徑。

我國科研機構與企業(yè)對于3D打印羥基磷灰石合成材料支架在骨缺損領域的應用也進行了深入研究。例如，廣州聚普科技有限公司對自體骨粉、羥基磷酸鈣和稀磷酸進行合理的配比，制備出合適的混合材料，并在一定溫度下進行3D打印，最終獲得機械強度較高的人工顱骨修補片。