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德州农工大学的研究人员将3D打印，生物材料工程学和干细胞生物学相结合，创造出了新型，更高效，可定制的骨移植材料。利用这三种技术，科学家们制造了3D打印的高成骨支架，不仅可以促进骨骼细胞的生长，而且还可以作为定制形状的坚固骨骼再生平台。这种新颖的生物材料可以替代在重建手术中使用金属和聚合物的方法，使皮肤移植物在愈合后能够无缝整合到患者的头骨中。

生物医学工程学系副教授罗兰德·考纳斯（Roland Kaunas）表示：“用于颅面植入物的材料要么在生物学上没有活性，而且像钛一样坚硬，要么在生物学上却像生物聚合物一样柔软，而且太软。在我们的研究中，我们开发了具有生物活性和机械强度的合成聚合物。这些材料也可以3D打印，从而可以制造出既美观又实用的定制形状的颅面植入物。”

研究人员的生物材料可用于制造多种面部植入物，包括用于che骨，眼窝和颌骨手术的植入物。图片来自德州农工大学。

需要改进的植骨技术

每年有200,000人的颌骨，面部或头部受伤。最终的手术通常需要使用钛板和螺钉将这些折断的骨头固定在适当的位置，并使周围的骨细胞生长并在植入物周围形成覆盖物。尽管这种方法在辅助骨骼修复方面取得了相对成功，但钛并非总是整合到骨骼组织中，这可能会导致植入物失效，在晚期情况下会导致进一步的手术。

与自体移植相比，金属和热塑性塑料也更容易受到感染，植入物挤出和暴露，组织坏死和应力屏蔽。骨移植被外科医生认为是更可取的选择，但是这种技术也有缺点。骨组织的直接应用依赖于供体组织的有限来源，招致供体部位发病，而且即使这样，头骨中复杂的几何形状也无法轻易复制。

研究人员确定了生物相容性聚合物，尤其是生物凝胶，可以替代聚合物和金属植入物。这些可延展材料是优选的，因为一旦它们被装载了骨干细胞，就可以将凝胶3D打印成任何预先编程的形状。另外，与金属镀层不同，人体可以随着时间的推移溶解水凝胶，而不会造成任何持久的损害。

使用3D打印的生物凝胶进行骨移植

尽管生物凝胶的柔韧性使其成为3D生物打印的理想选择，但它们的柔韧性也会影响所生产任何零件的机械完整性和准确性。为了使材料更坚硬，研究人员开发了一种纳米工程离子共价缠结或“ NICE”。这种混合物的配方仅包含三种主要成分：一种叫做kappa carrageenan的海藻提取物，明胶和纳米硅酸盐颗粒。这些元素起到刺激骨骼生长和机械增强NICE水凝胶的作用，发现混合物的强度比其单个成分强八倍。一旦准备好混合物，研究人员将成年干细胞添加到用NICE墨水进行3D打印，然后化学诱导干细胞将其转化为骨细胞。在此过程的两周内，科学家发现这些细胞已经大量生长，产生高水平的骨相关蛋白，矿物质和其他分子。细胞分泌物形成支架，称为细胞外基质，具有发育中的骨细胞生长和存活所需的独特生物材料成分。一旦支架完全发育，就可以去除骨细胞，并准备将基于水凝胶的植入物插入颅骨损伤部位。

据研究人员称，3D打印支架的强度有助于健康骨细胞的附着和生长，同时允许发育中的骨细胞穿透合成材料。水凝胶还具有弹性和韧性，可以进行手动操作，同时还可以稍微压缩，并且可以压入到缺陷中。由于NICE移植物具有广阔的生物学和物理特性，研究人员热衷于在不久的将来将这种方法用于体内的骨再生以进行脊柱融合。“尽管我们目前的工作重点是修复颅骨，但在不久的将来，我们希望不仅针对颅颌面缺损，而且针对脊柱融合术和其他损伤情况下的骨骼再生，扩展这项技术。”考纳斯说。

研究小组发现细胞进入NICE过程的时间不到2周。图片来自德州农工大学。

增材制造中的骨植入物

目前，实验性的新型生物材料已成为3D打印中的热门话题，许多学术机构都在尝试完善该技术以实现植入骨。柏林Charité–Universitätsmedizin大学诊所于2018年1月开发了3D打印的钛网支架，为使用患者自己的骨头的传统植骨技术提供了替代方法。科学家声称，植入物具有无与伦比的强度，并且可以设计成具有复杂的内部几何形状以适应任何损伤。

来自康涅狄格州牛津高性能材料（OPM）和加拿大麦吉尔大学的研究人员于2019年6月使用3D打印的PEKK植入物来加速骨骼再生。这种新设计的方法可以帮助治疗关键尺寸的骨缺损，从而减少了对侵入性程序，例如植骨。

莱斯大学和马里兰大学（UMD）的科学家于2019年4月开发了3D打印人造骨组织的新概念证明。正在开发软骨，以帮助运动员从运动损伤中康复，以及那些遭受与关节炎。