技術

3D打印發展到新高度,可直接在人體內進行骨骼打印!

2025China.cn   2021年05月24日

(骨骼打印技術演示,圖片截自新南威爾士大學官方發布視頻)

  3D打印已經逐漸進入到各行各業的實際應用當中,大到房子、學校,小到眼鏡、螺絲,幾乎無不能打印之物。但科學家最近將3D打印發展到了另一個高度:直接在人體內進行骨骼打印。

  想象病人躺在手術臺上,而醫生正在一旁用3D打印機在病人身體上往里面打印骨細胞……這聽上去似乎很可怕,但它無可否認為許多當前骨替代技術所存在的問題給出了一個好的解決辦法。

  目前,最好的、最行之有效的骨替代方法是自體移植,但遺憾的是,這種方法排斥率較高,而且可獲得的骨量是有限的。而其他合適的合成替代物,包括使用水凝膠、熱塑性塑料,甚至是生物陶瓷“超彈性”假骨,同樣遇到了排斥。這主要是由于構成典型人體骨骼的活體和死體組織的獨特組合。

  研究解釋到:“骨是一種高度礦化的組織。它是在環境條件下,在有機基質內的礦物質相在骨殘留細胞的作用下連續結晶形成的。”骨微環境的異質性復制一直是構建生物仿生骨支架的主要挑戰。

  為了應對這一系列令人生畏的挑戰,新南威爾士大學的團隊花了兩年時間完善了一種生物相容性的磷酸鈣材料。這意味著它不會有被宿主排斥的風險,而且這種材料在室溫下也能形成一種可塑性的糊狀物。

  在實驗當中,團隊將這種材料放在明膠浴或其他水環境中,以模擬人體內部,引起化學反應,使糊狀物硬化成多孔基質或納米晶體,很像它所替代的實際人體骨骼。

(打印出的類骨骼陶瓷材料,圖片截自新南威爾士大學官方發布視頻)

  “這是第一個將在許多方面都可以媲美原生骨的陶瓷材料與活細胞相結合的例子,”論文合著者,新南威爾士大學化學學院的Kris Kilian博士在學校官方發布的短視頻中說,“為未來手術開辟了一個全新的可能性——醫生未來可以直接在患者腔內打印患者的骨頭。”

  Kilian進一步解釋了這項技術的優勢,他描述說:“在手術過程中,如果他們[患者]因為疾病而切除了骨頭,或者取出了腫瘤。那么我們實際上可以對患者原生的骨頭進行掃描,然后將其放到3D打印機上,然后在患者的腔內用他們原來的細胞直接進行打印。而這些細胞或許能夠再移植,并自然地在體內形成原生骨。”

  研究團隊的具體方法仍在完善中,但他們使用現成的3D打印機,特別是Hyrel 3D Engine HR進行了成功的測試。論文合著者,新南威爾士大學醫學院的生物工程師Iman Roohani博士說,他們的工藝被稱為'COBICS',即Ceramic Omnidirectional Bioprinting in Cell-Suspensions(細胞懸浮液中的陶瓷全向生物打印技術),未來,他們的工藝也可以適應在其他類型的3D打印機上工作,包括便攜式和手持式,可以直接在手術室中使用。“你需要為每種應用設計打印機,”他在IEE Spectrum的文章中解釋說,“但該技術的概念和原理是相似的。”

  展望未來,該團隊現在正在設計一個浴池,讓他們打印更大的替代骨樣本。據報道,他們正在進行小型動物測試,以了解它與傳統骨移植的關系。

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