ELAINE項(xiàng)目研究利用3D打印技術(shù)制造具生物活性的骨植入物

導(dǎo)讀：骨骼具備高度的自愈能力。在滑雪、自行車摔倒或其他意外事故中發(fā)生的骨折情況下，骨頭通常能夠自行重新生長(zhǎng)，盡管所需時(shí)間取決于多個(gè)因素，包括年齡和骨折的嚴(yán)重程度。然而，當(dāng)腫瘤導(dǎo)致較大的骨缺損時(shí)，骨骼無(wú)法進(jìn)行自我再生。在這種情況下，通常采用植入物，由鈦或患者其他身體部位的骨材料制成。

△ELAINE正在研究使用3D打印生產(chǎn)骨植入物

2023年10月9日，南極熊獲悉，最新的技術(shù)趨勢(shì)之一是使用3D打印，例如，羅斯托克大學(xué)的ELAINE項(xiàng)目正在進(jìn)行研究，旨在使用生物活性材料制造可替代骨骼的結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目由Hermann Seitz教授領(lǐng)導(dǎo)。

傳統(tǒng)上，鈦是常用的骨骼替代材料，但很難適應(yīng)個(gè)體解剖條件，且可能導(dǎo)致長(zhǎng)期問(wèn)題。為了克服這些問(wèn)題，ELAINE研究小組借助3D打印技術(shù)，致力于生產(chǎn)更適應(yīng)性更好、副作用更少的骨植入物。該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是提供更先進(jìn)、個(gè)性化的治療方案，為骨缺損的患者帶來(lái)更好的康復(fù)效果。

△Hermann Seitz教授（右）和他的研究小組

ELAINE研究小組的目標(biāo)是生產(chǎn)電活性植入物，其行為類似于自然骨骼結(jié)構(gòu)�？茖W(xué)家們以骨骼生理學(xué)為指導(dǎo)，利用已知的骨骼壓電性知識(shí)進(jìn)行研究。當(dāng)固體受到機(jī)械變形并產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，壓電效應(yīng)會(huì)發(fā)生，即電信號(hào)會(huì)傳遞到組織，從而促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)。

微流體系1270合作研究中心的博士生Christian Polley表示：“壓電是生物體持續(xù)骨骼重塑的關(guān)鍵因素，這種壓電效應(yīng)確保細(xì)胞受到刺激并促進(jìn)生長(zhǎng)�！�

基于這些知識(shí)，研究小組使用3D打印技術(shù)制造了植入物，采用了壓電陶瓷，特別是鈦酸鋇。鈦酸鋇是一種壓電陶瓷，在受力時(shí)產(chǎn)生電勢(shì)。在ELAINE的研究方法中，將鈦酸鋇與生物活性玻璃結(jié)合使用。當(dāng)該材料與體液接觸時(shí)，會(huì)釋放離子，發(fā)揮其生物活性。然后，通過(guò)3D打印將生物活性材料制造成植入物。這一創(chuàng)新方法有望為骨缺損患者提供更有效的治療選擇，以促進(jìn)骨骼的健康重建。

△采用Lithoz 3D打印技術(shù)制造的陶瓷樣件

3D打印模仿真實(shí)骨骼的骨植入物

3D打印的主要優(yōu)勢(shì)在于數(shù)字重建后，能夠?qū)⒅踩胛锞�確地放入3D打印機(jī)中，并為每位患者單獨(dú)生產(chǎn)所需的植入物。Polley說(shuō)：“我們事先就知道拼圖的具體形狀，然后采用基于Lithoz的LCM（基于光刻的陶瓷制造）3D打印技術(shù)構(gòu)建。對(duì)于ELAINE項(xiàng)目，光敏聚合物中攜帶壓電陶瓷顆粒，然后通過(guò)光固化形成金絲結(jié)構(gòu)。隨后，在熱后處理過(guò)程中，打印部件被燒結(jié)。雖然3D打印本身只需要幾小時(shí)，但后期處理需要整夜進(jìn)行。由于制造過(guò)程的原因，植入物是無(wú)菌的并具有生物相容性，可以安全插入患者體內(nèi)。

羅斯托克大學(xué)的Seitz表示：“我們已經(jīng)成功地在模擬室中進(jìn)行了測(cè)試，可以忠實(shí)地模擬生物體內(nèi)的壓力。我們的目標(biāo)是創(chuàng)建一種植入物，它能夠?qū)�機(jī)械刺激做出壓電響應(yīng)，并具備生物活性。” 他們希望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是讓鄰近組織的骨細(xì)胞遷移到多孔植入物中并定居。如果定植和血管形成成功，植入物將能夠在患者體內(nèi)穩(wěn)定存在。

△未來(lái)，可以使用3D打印機(jī)的骨植入物來(lái)制造更大的植入物，例如用于重建頭骨的植入物

盡管迄今為止，ELAINE合作研究中心的成果進(jìn)展順利，但在這些植入物真正投入使用之前，仍需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究。Seitz解釋說(shuō)，這些植入物很可能還需要十年時(shí)間才能真正投入日常臨床使用。