每年大约有200,000人因出生缺陷、外伤或接受外科手术等原因而出现头骨或面部骨头缺损，缺损的部位往往需要通过植入物手术进行修复。
医生在进行修复手术时使用的植入物是怎样制造出来的呢？ 以下颌骨植入物为例，其中一种方法是医生取下一段患者腿部的腓骨，经过处理后植入下巴的骨缺损部位。随着3D打印技术和材料科学的发展，3D打印植入物进入到医学领域。主要流程是由工程师根据骨缺损部位的医学影像数据进行植入物的设计，然后将植入物3D打印出来交付给医生使用。由比利时外科医生与LayerWise 公司合作完成的世界首例3D打印钛合金下颌植入物，就是其中一个经典案例。
如今，约翰霍普金斯大学的科学家以骨粉和聚合物的混合物以及人体干细胞为材料，研发一种全新的3D打印下颌骨植入物。本期，3D科学谷将与谷友分享这项科研成果。
牛骨粉与PCL混合，促进人体骨骼细胞生长
PCL（聚己内酯）是一种可降解的聚合物，可作为3D打印下颌骨支架的材料。使用这种支架进行骨骼的修复，科学家首先需要将人体的干细胞放置在支架上进行培养，并诱导成为骨骼细胞，然后再将支架植入到体内进行骨骼的修复。虽然PCL 材料的强度足够大，但是并不利于促进骨骼细胞的生长。为了解决这个问题，约翰霍普金斯大学的科学家将一定比例的骨头粉末混合到到PCL 材料中来制造3D打印的支架。
在实验中使用的骨头粉末来自于牛的膝盖骨内侧。约翰霍普金斯大学生物医学工程学院的格雷森博士表示，骨粉含有的结构蛋白有助于促进支架中的干细胞生长为骨骼细胞。此外，它们增加了支架的表面粗糙度，也有助于促进干细胞的生长。
图片来源：3ders
为评估骨粉与PCL 复合材料的潜力，科学家将不同比例骨粉的混合物支架与单纯PCL 支架进行了对比，骨粉的比例分别是：30%，70%和85% 。实验结果表明，85%骨粉的材料是无法成功进行3D打印的，这是由于PCL 材料的比例过小，导致支架的孔隙结构强度不足。其他比例的混合材料可以顺利制造出3D打印的支架。
接下来的工作是测试细胞在不同支架中的生长情况。科学家将人体脂肪干细胞放入支架中进行培养和诱导。三周之后，细胞在混入70%骨粉的支架中生长情况最为理想。细胞在该支架中显示出较高的生物活性，相比单纯PCL 材料的支架细胞的基因活性高出数百倍。 混入30%骨粉的支架效果略低于70%骨粉的支架。
图片来源：3ders
下一步工作是引入一种细胞液β-甘油磷酸钠，以产生促进钙质沉积的细胞酶。结果表明，所有骨粉混合支架中产生的钙质都高于单纯的PCL 支架，其中70%骨粉的支架中产生的钙质是单纯PCL支架的2倍，30%骨粉的支架中产生的钙质高出了30%。
在完成了体外实验之后，科学家将这些混合物支架植小鼠体内，进行动物实验。这些支架植入后第12周的CT 图像表明， 70% 和30% 骨粉支架与单纯的PCL 支架相比，小鼠骨骼的生长都至少多出50%。然而，两种比例的骨粉混合物支架各有优势：70%骨粉的支架促进骨骼形成的效果更好，而30%骨粉的支架强度更高。所以究竟哪种混合比例的支架治疗效果更好，科学家还需要做进一步的研究。
牛膝盖骨粉末作为支架3D打印的材料已被FDA批准，并且取得了理想的实验结果。约翰霍普金斯大学的科学家还希望使用人体骨头粉末做进一步的研究，以获得更广泛的临床应用。
与截取人体腓骨作为下颌骨植入物的方式相比，3D打印钛合金植入物不仅能够避免人体腿部出现新的创伤，而且在设计上更加自由灵活。3D科学谷认为，与金属3D打印植入物相比，通过人体细胞和3D打印支架植入物进行骨骼修复的方式有哪些优势或意义也是值得思考的问题。
约翰霍普金斯大学发表的相关论文题目为：《Three-Dimensional Printing of Bone Extracellular Matrix for Craniofacial Regeneration》，发表于ACS Biomaterials 期刊中。对这项科研成果有兴趣的医学界朋友可以进一步了解。
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