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科学家开发出与人骨成分相似的可3D打印材料

信息来源:生物谷发布日期:2016-05-27

大约在20年前,Bob Pilliar教授开始寻找合成骨的替代材料。一度,塑料、金属和陶瓷都曾经被认为是可用于关节置换的最新和最好的材料,但是它们对患者的疼痛缓解和活动能力的恢复是有前提的,那就是这些材料不能持久。Pilliar被称为加拿大的陶瓷材料之父。

如今,通过与另外两位研究者携手,已经成为多伦多大学牙医学院、生物材料与生物医学工程学院名誉教授的Pilliar找到了可以用来制造未来植入物的天然成分。要取代人造的膝关节和髋关节,他的部件必须是生物降解、持久和针对患者的特点量身定做的。

最终,研究人员们找到了一种以磷酸钙形式存在的有效配方。这种粉末是由与人类骨骼中同样的矿物成分组成的,它来自美国种子巨头孟山都公司已经放弃开发的一种可降解生物材料。经过一番研究,Pilliar和他的同事们相信自己已经找到了可以创建骨骼替代材料的正确化合物,在此之后他们需要的只是找到合适的制造方式。

为此,一位年轻的机电一体化工程师Mihaela Vlasea接下了这个任务。她是增材制造领域中的高手。她根据这一材料的特点和要求,专门开发出了一台定制的3D打印机。据天工社了解,这台设备有一个双门冰箱那么大,它使用紫外线来将磷酸钙粉末粘结在一起。使用这台机器,Vlasea以针尖大小的精度在植入内部制造管道和空腔。

形象地说,这种3D打印的骨骼植入物就像一个蚁丘,其内部布满了用于运送养分的管道网络,而且这个网络的出口就是植入物表面的一个个小孔。一旦植入,人体的骨细胞就会在散播开来,并与骨骼结构机械互锁在一起。

“我们在该部件内部安排细孔的方式基本上能够使自然骨在植入物内以不同的速率生长。”她说,并补充称该方法也可以应用于设计燃料电池和牙科植入物。

 

 

随着时间推移,聚磷酸钙被人体吸收,而患者的组织和细胞则长成了人工植入物的形状。“我们希望能够用它来代替人工关节,和拜托所有的金属材料。但是在短期内,我们还只能尝试用它来代替小块的骨头。”Pilliar教授说。“如果我们获得成功,再进一步尝试用它来生成更大的关节。

除此之外,Pilliar教授也在开发人类软骨的替代物,如果成功,对于众多的关节炎患者来说无疑是一大福音。

与我们的常识不同,关节炎患者实际上并不只限于城市里的老年人。这种疾病主要是由外伤、畸形的关节或运动损伤引起的。目前由于软骨细胞不能再生,对于它的治疗手段十分有限。

 

 

”现在,如果关节受损的话,是没有真正的治疗手段是可以刺激其修复的。“Mount Sinai医院的病理学和实验室医学主任Rita Kandel:”最终,你只能依靠用金属和塑料材质制成的替代物。“

作为这一骨骼项目的三个主要研究者之一,Kandel曾经与Pilliar教授和多伦多大学的研究员Marc Grynpas共同合作了二十多年。

据她说,当今这种统一规格的植入物的使用寿命在20到30年之前,在此之后就需要再动手术来更换新的植入物。Kandel希望通过使用患者自己的组织和细胞打造的”生物关节替换物“来解决这个问题。

为此,Kandel尝试从患者的骨髓中提取干细胞,然后在实验室里重新编码,培养成不成熟的软骨细胞。这批细胞经过几个星期的时间之后成熟,研究人员将其层积在滑铁卢大学3D打印的钙磷酸盐植入物上并使其生长。据天工社了解,该植入物一旦通过手术植入体内,就能够自然地发挥功能,甚至可以治愈自己。

Kandel将其称为”生物性重铺表面(biological resurfacing)“,该技术进一步降低了植入物在植入人体之后遭受排异反应的可能性。”如果你使用患者自己的细胞的话,它们就不会被人体认为是外来的异物。“她说并补充称这种新型的治疗手段可以从根本上阻止关节炎的发展。

虽然这种定制植入物可能的价格到现在还不得而知,但Kandel预期该产品商业化之后会更加便宜,因为其使用的原材料价格很低。此外,她估计这类新型的人工关节”生物替代物“在未来十年之内将得到广泛应用。

与此同时,研究人员们正在通过动物试验来测试使用这种新方法修复小骨替代品德可行性,他们预计这一研究将还要持续两年。