科学家正研发可优化3D打印骨骼的材料配方

要制造一个好的框架来填补人体缺失的骨骼,用30%的粉状天然骨加上一些特殊的人造塑料,再用一台3D打印机打印出所需的形状即可。这就是约翰·霍普金斯 大学的研究人员4月18日在线发表在《ACS Biomaterials Science & Engineering》杂志上的一篇论文的结论。

约翰·霍普金斯大学的科学家们说,每年都会有大约20万人因为出生缺陷、创伤或手术原因需要更换头部或者脸部的骨骼。迄今为止,对于这些患者最好的治疗方案是从病人不承担身体重量的腓骨上取下一段骨头,然后把它切成所需的形状并植入正确的位置。但是该校医学院生物医学工程系副教授Warren Grayson博士认为,这种方法不仅会造成腿部创伤,而且由于腓骨相对比较直,难以跟脸部的曲线拟合得特别好。

为了解决这一问题,研究人员们转向了3D打印技术。众所周知,这一技术非常擅长用塑料制造出极其精确的结构——包括准确的解剖结构。不过“放在塑料支架上的细胞需要一些引导因子才能够转变为骨细胞”。Grayson博士说:“理想的支架是另一块骨头,但是天然骨骼通常无法非常精确地重新塑造。”

为此,Grayson和他的团队希望通过实验找到一种复合材料来3D打印骨骼支架,这种材料要能够将塑料的强度和可打印性与天然骨里存在的生物“信息”结合起来。

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科学家们一开始就选择了聚己内酯(PCL),这是一种可降解聚酯,经常用于制造那些已经获得FDA批准可以用于临床的聚亚安酯。“PCL会在80到100摄氏度的时候融化,这个融点低于大多数塑料,所以对于那些通常会在较高温度下损坏的生物材料来说,这是一个很好的混合对象。”Grayson团队里的研究生Ethan Nyberg说。

尽管PCL的强度很高,但是研究团队从以往的研究中了解到,它并不能很好地支持新骨的形成,所以科学家们将它与骨粉混合在一起。这种骨粉是将牛膝盖骨内部的多孔骨骼剥离细胞之后粉碎制成的。

“骨粉中含有源于生物体的结构蛋白再加上亲骨生长因子,可以帮助不成熟的干细胞成熟为骨细胞。”Grayson说:“它也增加了PCL的粗糙度,这有助于细胞的抓附和强化了生长因子的信息。”

Grayson称他们对该复合材料进行的第一个测试是可打印性。其中5份骨粉含量为30%和70%的混合物表现出色。而当骨粉的比例达到85%时,由于PCL“胶水”太少而不能保持清晰的晶格形状,因此在随后的实验中被淘汰。

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另外,为了研究该支架是否能够刺激骨骼形成,研究人员通过吸脂术为支架添加人类脂肪源性干细胞,并将支架浸在缺乏亲骨成分的营养培养基中。

三周之后,在含有70%粉骨的支架上的细胞的基因活性比纯PCL支架上生长的细胞高出几百倍,而在含有30%的骨粉的支架上的细胞的基因活性也很高,但没有前者那么令人印象深刻升幅。

随后,科学家们将关键成分 -甘油磷酸加到细胞的培养基中,使它们的酶可以沉积骨骼的主要矿物质——钙。结果发现,与在纯PCL支架上的细胞相比,在30%骨粉支架上的细胞每个多产生大约30%的钙,而那些在70%支架上的细胞可以产生超过两倍的钙。

最后,研究团队将其支架在小鼠身上进行实验,这个实验小鼠的头骨被研究人员弄出了一个很大的洞,如果没有干预的话,这头骨的创面太大不可能自行愈合。在随后12周的实验里,研究人员将装满干细胞的支架植入小鼠的伤口,让新骨在洞里生长。CT扫描显示与纯PCL支架相比,那些含有30%或70%的骨粉的支架骨骼生长量至少增加了50%。

“在培养基实验中,含70%骨粉的支架要比含30%骨粉的支架更能促进骨的形成。”Grayson说格雷森:“但是30%的支架强度更高一些。由于在老鼠头骨实验中两者的区别并不大,我们正在进行更进一步的研究以找出哪种混合整体效果最佳。”

虽然"脱细胞"的牛骨已经被FDA批准可用于临床使用,研究人员们说,在今后的研究中,他们希望能测试人类骨粉,因为后者的临床应用更为广泛。

文章来源:互联网采集

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