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科学家采用新材料3D打印的超弹性骨可用于颅骨修复

来源:客户端

发布时间:2019-05-25 17:03:45

点击量:3371

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《Plastic and Reconstructive Surgery》杂志五月刊,报道了一种3D打印的超弹性骨(hyperelastic bone)合成材料,该材料有望成为一种经济有效的颅颌面修复新材料。这项科研成果是由美国西北大学和伊利诺斯大学健康大学的Ramille N. Shah博士研究团队开展的,初步研究结果显示,该材料加速了大鼠颅骨缺损的骨再生。


3D打印超弹性骨支架的微型计算机断层扫描图

图片:3D打印超弹性骨支架的微型计算机断层扫描图,来源:Plastic and Reconstructive Surgery。


通过3D打印实现快速廉价生产

研究团队表示,颅颌面部重建领域对于经济有效的骨替代材料需求量大,超弹性骨有很大的潜力可以应用在这一领域。研究人员报告了通过该材料进行大鼠动物实验的结果。在手术中产生头骨顶部缺陷的大鼠中使用超弹性骨的初步实验。用于实验的大鼠头的颅骨有一个缺损,该缺损属于难以自行愈合的“临界尺寸”。这一缺损情况,接受过脑肿瘤手术的患者情况类似。


上图:超弹性骨和硫酸铜(CuSO4)材料,以及具有8mm直径的3D打印支架 ;左下图:8mm直径超弹性骨支架的微计算机断层扫描重建(自上而下和横截面视图); 右下图:微型计算机断层扫描截面图的细节,突出了相关的尺寸和特征

上图:超弹性骨和硫酸铜(CuSO4)材料,以及具有8mm直径的3D打印支架 ;左下图:8mm直径超弹性骨支架的微计算机断层扫描重建(自上而下和横截面视图); 右下图:微型计算机断层扫描截面图的细节,突出了相关的尺寸和特征。


研究团队开发的超弹性骨材料是一个3D打印支架,制造支架的材料主要由羟基磷灰石(骨矿物质)和广泛使用的生物相容性材料聚乙醇酸组成。支架具有复杂的网格结构,该结构有助于新骨的生长和再生,并且具有足够的延展性,在手术期间易于进行压配或切割。这种超弹性骨修复支架,可以通过3D打印设备进行快速而廉价的生产。

在动物实验中,研究人员除了使用3D打印超弹性骨进行颅骨缺损修复之外,还分别使用了动物自体,以及不包含骨矿物质材料的修复支架修复其他颅骨缺损部位。自体骨是重建骨缺损的首选材料,但这种天然材料难以获得,需要从从身体其他部位采取骨骼,有的时候根本无法获得适合的自体骨。

实验结果表明,3D打印的超弹性骨提供了良好的骨再生。在随访CT扫描中,与自体骨相比,超弹性骨在8周后有效率约为74%,12周时有效率为65%。而仅包含聚乙醇酸材料不包含骨矿物质材料的支架所修复的缺损处,仅显示出很少的新骨形成。显微镜检查显示,超弹性骨支架首先被纤维组织逐渐包围,然后被新骨细胞包围。随着时间的推移,支架将逐渐被新骨完全替换,并结合植入的骨矿物质。

根据研究团队,随着超弹性骨修复支架技术的进一步发展,他们相信这种3D打印材料可以成为自体骨和市场上已有的颅颌面修复植入物的替代品。接下来,研究团队需要进一步的实验研究来确认超弹性骨适用于哪些特定类型的颅面重建。


Review

与传统颅骨修复植入物制备方式相比,3D打印技术制造颅骨材料主要有两个方面的优势:

-制备出外形与缺损部位尺寸高度匹配的植入物,减少医生在手术时手工进行修型、裁剪的工作量,并减少手术时间,降低患者术后感染风险;[1]

-制备多孔颅骨修复支架工艺很多,但传统多孔支架材料的制备方法为人工操作,重复性差,添加的制孔剂存在潜在的毒副作用,孔连通性较差,或者无法控制孔径大小,更无法制造具有复杂外形的骨修复支架。3D打印技术可在很大程度上实现支架的孔隙率、孔径、孔容积、空间排布和其他表面特征的可控性,为骨组织工程支架的构建提供了一条新的途径。[2]

我国科研机构与企业对于3D打印羟基磷灰石合成材料支架在骨缺损领域的应用也进行了深入研究。例如,广州聚普科技有限公司对自体骨粉、羟基磷酸钙和稀磷酸进行合理的配比,制备出合适的混合材料,并在一定温度下进行3D打印,最终获得机械强度较高的人工颅骨修补片。


参考资料:

[1] CN201610212476,一种3D打印的人工颅骨修补片及其制备方法。

[2] CN201811166441, 一种磷酸钙/生物活性玻璃骨修复支架及其制备方法。

Three-Dimensionally Printed Hyperelastic Bone Scaffolds Accelerate Bone Regeneration in Critical-Size Calvarial Bone Defects.


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