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德州農工大學的研究人員將3D打印，生物材料工程學和干細胞生物學相結合，創造出了新型，更高效，可定制的骨移植材料。利用這三種技術，科學家們制造了3D打印的高成骨支架，不僅可以促進骨骼細胞的生長，而且還可以作為定制形狀的堅固骨骼再生平臺。這種新穎的生物材料可以替代在重建手術中使用金屬和聚合物的方法，使皮膚移植物在愈合后能夠無縫整合到患者的頭骨中。

生物醫學工程學系副教授羅蘭德·考納斯（Roland Kaunas）表示：“用于顱面植入物的材料要么在生物學上沒有活性，而且像鈦一樣堅硬，要么在生物學上卻像生物聚合物一樣柔軟，而且太軟。在我們的研究中，我們開發了具有生物活性和機械強度的合成聚合物。這些材料也可以3D打印，從而可以制造出既美觀又實用的定制形狀的顱面植入物。”

研究人員的生物材料可用于制造多種面部植入物，包括用于che骨，眼窩和頜骨手術的植入物。圖片來自德州農工大學。

需要改進的植骨技術

每年有200,000人的頜骨，面部或頭部受傷。最終的手術通常需要使用鈦板和螺釘將這些折斷的骨頭固定在適當的位置，并使周圍的骨細胞生長并在植入物周圍形成覆蓋物。盡管這種方法在輔助骨骼修復方面取得了相對成功，但鈦并非總是整合到骨骼組織中，這可能會導致植入物失效，在晚期情況下會導致進一步的手術。

與自體移植相比，金屬和熱塑性塑料也更容易受到感染，植入物擠出和暴露，組織壞死和應力屏蔽。骨移植被外科醫生認為是更可取的選擇，但是這種技術也有缺點。骨組織的直接應用依賴于供體組織的有限來源，招致供體部位發病，而且即使這樣，頭骨中復雜的幾何形狀也無法輕易復制。

研究人員確定了生物相容性聚合物，尤其是生物凝膠，可以替代聚合物和金屬植入物。這些可延展材料是優選的，因為一旦它們被裝載了骨干細胞，就可以將凝膠3D打印成任何預先編程的形狀。另外，與金屬鍍層不同，人體可以隨著時間的推移溶解水凝膠，而不會造成任何持久的損害。

使用3D打印的生物凝膠進行骨移植

盡管生物凝膠的柔韌性使其成為3D生物打印的理想選擇，但它們的柔韌性也會影響所生產任何零件的機械完整性和準確性。為了使材料更堅硬，研究人員開發了一種納米工程離子共價纏結或“ NICE”。這種混合物的配方僅包含三種主要成分：一種叫做kappa carrageenan的海藻提取物，明膠和納米硅酸鹽顆粒。這些元素起到刺激骨骼生長和機械增強NICE水凝膠的作用，發現混合物的強度比其單個成分強八倍。一旦準備好混合物，研究人員將成年干細胞添加到用NICE墨水進行3D打印，然后化學誘導干細胞將其轉化為骨細胞。在此過程的兩周內，科學家發現這些細胞已經大量生長，產生高水平的骨相關蛋白，礦物質和其他分子。細胞分泌物形成支架，稱為細胞外基質，具有發育中的骨細胞生長和存活所需的獨特生物材料成分。一旦支架完全發育，就可以去除骨細胞，并準備將基于水凝膠的植入物插入顱骨損傷部位。

據研究人員稱，3D打印支架的強度有助于健康骨細胞的附著和生長，同時允許發育中的骨細胞穿透合成材料。水凝膠還具有彈性和韌性，可以進行手動操作，同時還可以稍微壓縮，并且可以壓入到缺陷中。由于NICE移植物具有廣闊的生物學和物理特性，研究人員熱衷于在不久的將來將這種方法用于體內的骨再生以進行脊柱融合。“盡管我們目前的工作重點是修復顱骨，但在不久的將來，我們希望不僅針對顱頜面缺損，而且針對脊柱融合術和其他損傷情況下的骨骼再生，擴展這項技術。”考納斯說。

研究小組發現細胞進入NICE過程的時間不到2周。圖片來自德州農工大學。

增材制造中的骨植入物

目前，實驗性的新型生物材料已成為3D打印中的熱門話題，許多學術機構都在嘗試完善該技術以實現植入骨。柏林Charité–Universit?tsmedizin大學診所于2018年1月開發了3D打印的鈦網支架，為使用患者自己的骨頭的傳統植骨技術提供了替代方法。科學家聲稱，植入物具有無與倫比的強度，并且可以設計成具有復雜的內部幾何形狀以適應任何損傷。

來自康涅狄格州牛津高性能材料（OPM）和加拿大麥吉爾大學的研究人員于2019年6月使用3D打印的PEKK植入物來加速骨骼再生。這種新設計的方法可以幫助治療關鍵尺寸的骨缺損，從而減少了對侵入性程序，例如植骨。

萊斯大學和馬里蘭大學（UMD）的科學家于2019年4月開發了3D打印人造骨組織的新概念證明。正在開發軟骨，以幫助運動員從運動損傷中康復，以及那些遭受與關節炎。