邱林

打印骨骼修復顱骨示意圖

骨骼3D打印機內(nèi)部

數(shù)千年來，人類的骨骼損傷屢見不鮮，如何進行修復一直是困擾醫(yī)療界的一大難題，人們不斷研究使用什么樣的材料來修復受損的骨頭。有證據(jù)表明，早在新石器時代的秘魯和古埃及就已經(jīng)有骨骼修補技術(shù)了，那時還沒有高超的醫(yī)術(shù)，人們使用的是黃金和鐵等材料來充當填充物，而不是真正的骨頭。骨外科醫(yī)生需要一種與人體骨骼高度相似的材料，用于替代發(fā)生病變或被撞擊損壞的骨骼，希望讓患者的受傷部位盡可能地恢復原有的功能。

幾個世紀以來，醫(yī)學家們嘗試了眾多不同的修復方法，并證實自體（患者自身）骨移植是治療骨缺損的有效方法。但是，由于某些患者損傷嚴重，骨骼缺失較大，從其自身提取骨頭移植，往往不能滿足受傷部位的要求。而且，從健康的人體部位切割骨頭，患者須經(jīng)受一次額外的手術(shù)，有疼痛及感染的風險，往往對人體的傷害較大。

人們意識到自體骨移植的種種缺點，為此不斷探索將新材料、新技術(shù)用于修復人體骨骼缺損。

3D打印骨骼

據(jù)英國《自然》雜志報道，人體的骨骼破損有多種情況，有很多破損部位并不是整齊劃一的。為了準確地連接用于替換傷處的骨骼，外科醫(yī)生需要精確繪制出需要替換的部分。近日，英國科學家將時下頗為熱門的3D打印技術(shù)與骨外科技術(shù)結(jié)合起來，為精確修復骨骼提供了指南。

3D打印技術(shù)是組織工程學的一種高速仿形技術(shù)，它以計算機三維設計模型為藍本，利用激光引導、噴墨打印等技術(shù)，將生物材料通過逐層堆積黏結(jié)，疊加塑型，最終形成仿真的形狀。

將3D打印技術(shù)與骨外科技術(shù)相結(jié)合，可以讓醫(yī)生為每一位病人專門定制植入的骨骼。打個比方，假如一個有顱骨缺損的病人需要治療，醫(yī)生可以掃描他的顱骨，然后打印出與病人受傷位置的尺寸和形狀相同的一部分顱骨。

不僅如此，科學家還借助3D打印技術(shù)研發(fā)出了人造“超彈性骨骼”，它是一種新的3D打印合成材料，由有彈性的陶瓷制成，內(nèi)含牙齒和骨骼中的礦物質(zhì)以及聚合物。這種材質(zhì)受到擠壓后，能夠彈回原來的形狀。它在制成骨骼前是液體狀態(tài)，可以打印成醫(yī)生所需要的各種形狀，也可以沉淀在任何一種材料上，具有很強的可塑性。

傳統(tǒng)的人造骨骼不僅難以塑型、容易引發(fā)患者身體排斥，而且價格高昂。相比之下，“超彈性骨骼”價格低廉，可以打印出許多形狀，并依照需求切割、折疊、接合，彈性好且韌性強，在手術(shù)室中能夠簡單快速地使用。目前英國科學家正在積極推動這種新技術(shù)的臨床使用，希望能在脊椎、牙齒重建和骨癌手術(shù)中使用這種人造骨骼，為病患提供量身訂制的骨骼，帶來更好的治療效果。

更有效的連接劑?

用什么來連接人體的骨骼與3D打印的人造骨骼呢？這種材料必須是人體所能接受的、安全無害的連接基質(zhì)。

據(jù)美國《大眾科學》雜志報道，傳統(tǒng)的骨骼連接劑，醫(yī)學名稱是脫鈣骨基質(zhì)，簡稱DBM。它是一種由膠原蛋白、非膠原蛋白以及較低濃度的生長因子（如骨形成蛋白）等組成的復合骨移植材料，主要取材于人或動物（豬、牛、狗、兔等）的顱骨、股骨和脛骨。它具有低抗原、能夠誘導人造骨產(chǎn)生活性的特點。為了制作它，技術(shù)人員將骨頭磨碎，然后用酸除去鈣。剩下的是一種精致的白色代糖粉，主要由刺激骨骼生長的骨形成蛋白組成。這些骨形成蛋白能與干細胞進行“交流”，隨后干細胞分裂和復制成為具有不同功能的新細胞。

《大眾科學》指出，對于3D打印的人造骨骼來說，傳統(tǒng)的DBM黏合性存在不足，在臨床上不能有效地使用。為解決這一問題，美國加州大學洛杉磯分校醫(yī)學中心開發(fā)出一種新型DBM，它由骨形成蛋白與石膏混合而成，可用于有效連接人造骨骼和人體骨骼。

在人體內(nèi)，新型DBM可以將干細胞轉(zhuǎn)化為骨細胞。在外科手術(shù)中，它對于填充骨缺損、恢復功能、連接縫隙等都有很好的療效。這種新型連接劑將在骨移植手術(shù)中扮演重要角色。比如，口腔外科醫(yī)生可將其植入患者退化的下顎骨中，使下顎骨重新生長，足以支持種植牙;它也可以用來填補脊柱融合手術(shù)中椎體之間的縫隙，以減輕椎間盤突出患者的疼痛;當骨科醫(yī)生移植長段的人造骨時，可以沿著移植骨的接縫注入這種連接劑。有外科醫(yī)生形容說，這種新型DBM是“建在移植骨骼上的腳手架”。

解決排異反應問題

異體骨移植是指把取自動物或他人的骨骼，移植到病患的身上。這種移植術(shù)首創(chuàng)于動物骨頭移植。17世紀，一個名叫巴特林的人頭部被一把劍擊中，外科醫(yī)生把一塊狗骨移植到他的頭骨上，修復了傷口。他活了下來，卻被教會驅(qū)逐，因為教會認為“他不再是完整的人類”。為了不被看成異類，巴特林要求外科醫(yī)生把狗骨取出來。當外科醫(yī)生嘗試取骨的時候，發(fā)現(xiàn)巴特林的頭骨已經(jīng)在移植骨的周圍再生了。從這個角度來看，這是世界上第一次成功地將動物骨頭移植入人體。后來，醫(yī)學技術(shù)不斷發(fā)展，醫(yī)生開始使用人類的骨頭作為骨移植材料。與動物骨頭相比，用人類的骨頭移植更能為患者所接受，因此被廣泛采用。

據(jù)《日本醫(yī)事新報》報道，3D打印人造骨骼要想投入廣泛應用，必須解決排異反應的問題。排異反應是指異體組織進入有免疫活性的宿主體內(nèi)后，被宿主作為“異己”并受到其免疫系統(tǒng)的攻擊。這種由供受體之間的白細胞抗原差異所引起的排異反應，是導致骨移植失敗的主要原因。

日本醫(yī)學家指出，3D打印骨骼畢竟不是天然的人體骨骼，把它移植到人體內(nèi)，首先要克服強烈的排異反應，這就需要對骨骼進行去抗原處理。

研究指出，經(jīng)低溫保存、急速冷凍的骨骼，可以保持硬度，還能在較大程度上避免病人因異體移植而產(chǎn)生的排異反應。但冷卻處理法并不能完全消除排異反應，只是將它控制在慢性排異反應的范圍內(nèi)。相比之下，與冷處理相反的高溫加工法能更徹底地清除骨骼之間的排異反應。然而，其弊端在于：經(jīng)過高溫處理后，骨骼雖然沒有了抗原性，但內(nèi)部的誘導細胞提前分化為軟骨細胞及成骨細胞，在移植后難以再形成軟骨組織和硬骨組織。這樣的骨骼移植入人體后，雖然不會產(chǎn)生排斥，但只能起到橋梁的作用，其本身不能誘導細胞生長，也不能和人體很好地融為一體。因此，這種做法只適用于極小的骨移植手術(shù)，即不需要人造骨骼在移植后與人體原有的骨骼長合在一起。

為了解決上述問題，日本醫(yī)學家開發(fā)出一種重新組合人造骨骼的方法。這種方法對于人造骨骼分兩步進行處理：第一步，在常溫下從人造骨骼的皮質(zhì)骨中取出骨形成蛋白（生長因子），然后將骨骼的其余部分進行脫蛋白處理。這樣人造骨骼就不再具有抗原性了，而且骨內(nèi)形成許多小孔，就像蜂窩一樣。第二步，將事先取出的生長因子重新植入人造骨中。經(jīng)過這樣一個過程，人造骨就可以安全地進行移植了。

由于內(nèi)部既沒有抗原物質(zhì)，又有生長因子，這種人造骨骼一旦被移植到人體內(nèi)，生長因子就會像磁鐵一樣誘導病人體內(nèi)的骨細胞移到人造骨上，并生長起來。同時，人造骨骼自身會不斷降解。就這樣一邊降解，一邊誘導新骨生成。大約經(jīng)過八九年左右，植入的人造骨就會完全消失，同時新的骨頭完全長成。這種方法不僅具有高效的成骨活性，而且不會引起排異反應，是一種成熟的人造骨骼移植技術(shù)。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com