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直接在人体内进行3D打印?澳科学家研发含有人类本体细胞的仿生骨骼材料,可生成原生骨骼

olivia chan

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(骨骼打印技术演示,图片截自新南威尔士大学官方发布视频)

3D打印已经逐渐进入到各行各业的实际应用当中,大到房子、学校,小到眼镜、螺丝,几乎无不能打印之物。但科学家最近将3D打印发展到了另一个高度:直接在人体内进行骨骼打印。

想象病人躺在手术台上,而医生正在一旁用3D打印机在病人身体上往里面打印骨细胞……这听上去似乎很可怕,但它无可否认为许多当前骨替代技术所存在的问题给出了一个好的解决办法。

目前,最好的、最行之有效的骨替代方法是自体移植,但遗憾的是,这种方法排斥率较高,而且可获得的骨量是有限的。而其他合适的合成替代物,包括使用水凝胶、热塑性塑料,甚至是生物陶瓷“超弹性”假骨,同样遇到了排斥。这主要是由于构成典型人体骨骼的活体和死体组织的独特组合。

研究解释到:“骨是一种高度矿化的组织。它是在环境条件下,在有机基质内的矿物质相在骨残留细胞的作用下连续结晶形成的。”骨微环境的异质性复制一直是构建生物仿生骨支架的主要挑战。

为了应对这一系列令人生畏的挑战,新南威尔士大学的团队花了两年时间完善了一种生物相容性的磷酸钙材料。这意味着它不会有被宿主排斥的风险,而且这种材料在室温下也能形成一种可塑性的糊状物。

在实验当中,团队将这种材料放在明胶浴或其他水环境中,以模拟人体内部,引起化学反应,使糊状物硬化成多孔基质或纳米晶体,很像它所替代的实际人体骨骼。

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(打印出的类骨骼陶瓷材料,图片截自新南威尔士大学官方发布视频)

“这是第一个将在许多方面都可以媲美原生骨的陶瓷材料与活细胞相结合的例子,”论文合著者,新南威尔士大学化学学院的Kris Kilian博士在学校官方发布的短视频中说,“为未来手术开辟了一个全新的可能性——医生未来可以直接在患者腔内打印患者的骨头。”

Kilian进一步解释了这项技术的优势,他描述说:“在手术过程中,如果他们[患者]因为疾病而切除了骨头,或者取出了肿瘤。那么我们实际上可以对患者原生的骨头进行扫描,然后将其放到3D打印机上,然后在患者的腔内用他们原来的细胞直接进行打印。而这些细胞或许能够再移植,并自然地在体内形成原生骨。”

研究团队的具体方法仍在完善中,但他们使用现成的3D打印机,特别是Hyrel 3D Engine HR进行了成功的测试。论文合著者,新南威尔士大学医学院的生物工程师Iman Roohani博士说,他们的工艺被称为'COBICS',即Ceramic Omnidirectional Bioprinting in Cell-Suspensions(细胞悬浮液中的陶瓷全向生物打印技术),未来,他们的工艺也可以适应在其他类型的3D打印机上工作,包括便携式和手持式,可以直接在手术室中使用。“你需要为每种应用设计打印机,”他在IEE Spectrum的文章中解释说,“但该技术的概念和原理是相似的。”

展望未来,该团队现在正在设计一个浴池,让他们打印更大的替代骨样本。据报道,他们正在进行小型动物测试,以了解它与传统骨移植的关系。

参考资料:

https://thedebrief.org/doctors-can-3d-print-bones-directly-into-your-body/

论文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202008216


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