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(xué)的研究人員將3D打印、生物材料工程和干細(xì)胞生物學(xué)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(xué)家們制作出了3D打印的高造骨支架，不僅可以促進骨細(xì)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(xué)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(xué)（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(xì)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(fù)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(dǎo)致植入物失敗，晚期的情況下還會導(dǎo)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(yīng)力屏蔽。骨移植被外科醫(yī)生認(rèn)為是一種較好的替代方法，但這種技術(shù)也有缺點。直接應(yīng)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(fù)雜幾何形狀的骨質(zhì)也無法輕易復(fù)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(xì)胞，這些凝膠可以被3D打印成任何預(yù)設(shè)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(xì)胞加入到用NICE墨水打印的3D零件中，然后通過化學(xué)誘導(dǎo)將干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為骨細(xì)胞。在這個過程的兩周內(nèi)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這些細(xì)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(xì)胞的分泌物形成了一種被稱為細(xì)胞外基質(zhì)的支架，其中含有發(fā)育中的骨細(xì)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(xì)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(xì)胞的附著和生長，同時允許發(fā)育中的骨細(xì)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(fù)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(fù)合增強， 以及κCA和GelMA的獨立聚合物網(wǎng)絡(luò)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(xì)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。

論文下載，兩卷全部下載后解壓

10.1002@adhm.201901580.part1.rar (1.8 MB, 下載次數(shù): 409)

2020-6-5 11:14 上傳

點擊文件名下載附件

10.1002@adhm.201901580.part2.rar (403.45 KB, 下載次數(shù): 362)

2020-6-5 11:14 上傳

點擊文件名下載附件