可爱的骨头3D：用于修复颅骨缺损的超弹性骨头材料

我们大约有205个，它们总共重约5-6公斤，每10年就在蜂窝级别进行完全更新。 有一个惯用语表示每个人都在壁橱里。 当然，这与骨骼和构成骨骼的骨骼有关。 骨损伤是世界上最常见的损伤之一。 有时，此类伤害不需要骨骼治疗，而需要更换。 骨移植会给患者带来许多危险，包括随后的疼痛，感染，出血，对结合组织的损伤等。

一些科学家认为，成功进行骨移植的关键在于印刷骨头的使用，这对于特定患者而言将是理想的选择，并且没有缺陷。 科学家如何打印骨骼，将其应用于什么领域，以及在老鼠身上进行植入手术的结果是什么？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧

学习基础

自古以来，治疗骨损伤的方法就没有太大变化。 科学家甚至分析了36个显示破裂迹象的尼安德特人骨骼。 在这些受伤中，只有11个可以称为未成功。

但是，这种治疗方法始终都不适用​​于所有类型的骨折。 即使使用了足够的现代医疗设备，知识和技术，也已经成功地治愈了一些伤害，并且没有造成任何后果。

目前，同种异体移植或同种异体材料通常用于骨移植。

同种异体移植* -人与人之间的器官移植（来自同一物种中一个物种的一个个体）。

这些方法相当先进，但不是万能的。 颅颌面部缺损（先天性，肿瘤性或创伤性起源）非常复杂。 在这种情况下，需要特定于特定患者的植入物。 因此，它们不能从供体中取出，而必须被制造。 在这种情况下，将使用颅骨成形术，但是植入物将不会再生，并且不会与患者的其他骨骼一起生长。 也可以使用海绵状，脱矿质的骨基质，合成的骨屑或骨油灰填充缺损区域。 但是这些材料不是多孔的并且具有有限的孔隙率。 因此，减少了表面细胞的迁移和细胞的血管形成（血管形成），这可能导致封装*而不是组织整合。 结果，感染的风险大大增加。

包封* -在体内异物周围形成胶囊。

研究人员建议使用三维打印，因为这种方法可让您制作便宜的植入物，理想地适合特定患者的特定缺陷。

研究人员还指出，到目前为止，在生物医学三维打印中，缺乏将易于制造，用于打印和生物功能结合在一起的高性能材料。 这意味着您自然需要创建自己的材料。


超弹性骨

这种新材料的名称是“超弹性骨”（hyperelastic bone material）。 这种骨再生材料是通过在室温下将羟基磷灰石（固体，占总质量的90％）和聚（乳酸乙醇酸）（液体，占总质量的10％）挤压成三维形式而无需烧结* ， 固化*或其他形式的物理和化学稳定化。

烧结*是在高温和/或高压下由细粉基制造固体和多孔材料的过程。

固化*是将液态反应性低聚物和（或）单体转化为固体，非熔融和不溶性交联聚合物的不可逆过程。

所得的三维印刷框架具有良好的弹性和高吸收性。 另外，该框架在不添加骨诱导性催化剂的情况下诱导了源自人间充质干细胞的骨髓的成骨分化 。

细胞分化* -形成显示其功能的细胞特殊表型的过程。 夸张的是，以前没有确切的职业的细胞的使用。

同时，超弹性骨骼不会引起阴性免疫反应，而是血管化并与周围组织整合，从而支持新骨骼的生长。 另一个成就是能够通过印刷的植入物转移转导的人类脂肪干细胞。

接下来，我们将仔细研究实际测试的结果。 科学家对大鼠的超弹性骨和具有严重尺寸缺陷的商业化变体（自体骨）的骨再生能力进行了比较分析。 但首先，要介绍一些有关实验的准备以及测试材料和植入物的制作方法。

超弹性骨的制造

众所周知，超弹性骨框架是由羟基磷灰石和聚乳酸乙醇酸制成的。


BioPlotter打印机

所有样品均使用EnvisionTEC的BioPlotter Manufacturing打印机打印。 片材的厚度（5x5厘米），每层由5个120μm的层组成，总计为0.6 mm。 接下来，使用活检探针从板中挤出圆形（直径8 mm）的毛坯。 将所得的坯料洗涤并灭菌。


图像＃1：植入物制造过程。

植入手术

实验雄性Sprague-Dawley大鼠，每只雄性约500克，用作实验对象。

手术期间，受试者在全身麻醉下（2％异氟醚/ 100％氧气）。 在lamddoid和冠状缝线之间进行矢状切口（1.5 cm）以暴露头骨。 使用带有苯丙氨酸的手钻（用铣刀或钻头在密集的组织中形成孔的针），可以制造出直径8毫米的人工颅骨缺损。

受试者分为4组：

• 7个人-阴性对照组（缺损处未植入）；
• 6个人-阳性对照组（以自体骨作为植入物）；
• 6个人-第1研究组（以聚（乙醇酸）为框架的植入物）；
• 10个人-第2研究组（使用超弹性骨作为植入物）。

植入后（有或没有），使用可移动的可吸收缝合线闭合骨膜和皮肤，并向实验对象施用止痛药。 将受试者分成两个牢房。 获得水和食物是无限的。

通过锥束计算机断层摄影术分析头骨样品。 从颅骨上切下感兴趣的区域，将其置于70％的乙醇中，并使用微型计算机断层扫描仪进行扫描。 然后，科学家们使用医学成像分析软件（Mimics Medical 19.0）更详细地检查了植入植入物的头骨区域。

经过微计算机断层扫描后，将样品切成两半用于组织学分析，并使用扫描电子显微镜观察。 还评估了8周和12周后的再生程度。

现在，我们直接进行观察的结果。

研究成果

图片编号3a：灰色-具有自体骨骼； 黑色-无植入物； 蓝色-植入物由聚（乙醇酸）制成； 红色-具有超弹性的骨骼。

上图（ 3a ）显示了锥形束和三维计算机断层扫描的三维重建。 再生的骨组织的数量由矿化的骨的数量决定，该数量占目标组织总体积的一部分。 相对于阳性对照组（自体骨）每体积总体积的骨体积，对超弹性骨，聚（乳酸-乙醇酸）和阴性对照组的总体积的骨体积进行标准化。 因此，对所有植入物选择的性能指标进行了比较分析。


图片＃3b

锥形束和显微计算机断层扫描显示，用超弹性骨植入物治疗的缺损中矿化骨基质的数量增加（ 3b ）。

根据锥束断层摄影术，在使用超弹性骨植入物的情况下，观察到的骨量在第8周时为55.7％，在观察第12周时为57.0％。 根据微型计算机断层扫描，在观察的第8周时为36.1％，在观察的第12周时为37.1％。 这是归一化之前的数据。

之后，对自体移植情况下的矿化骨量指标进行标准化。 现在清楚的是，使用超弹性骨的再生量为阳性对照组（自体骨）的量的95.6％和82.0％（观察的第8周和第12周）。 微型计算机断层扫描得出以下结果：74.2％和64.5％（观察的第8周和第12周）。

事实证明，仅使用聚乳酸-乙醇酸作为植入材料是非常无效的：阳性对照组分别为16.6％和22.5％（观察的第8周和第12周）。 该方法的效率与阴性对照组的结果没有显着差异，该阴性对照组也完全没有植入，这一事实也得到了证实，该方法完全没有植入物：锥束断层扫描为10.3％和13.8％，微计算机断层扫描为14.5％和19.5％。

将测试的新材料（超弹性骨）的结果与阴性对照组的结果进行比较，结果显示，矿化骨的体积在第8周和第12周分别有7.81倍和5.75倍的差异，而超弹性骨骼则有所不同。

因此，就再生的量而言，超弹性骨的使用实际上可与具有自体骨的商业植入物变体的使用相比。


图片编号4： 箭头 -边缘有缺陷； Ft-纤维（纤维）组织； Mc是膜细胞成分； Nb是新骨头。

进行的组织学分析仅证实了锥形束和微计算机断层扫描的数据。 科学家确定了缺陷的边缘，并用曙红对新骨骼的形成进行了特殊染色，以实现更好的可视化。

在阴性对照组的情况下，观察到纤维组织，但是新骨的形成极少（图4中的上排）。 含聚乳酸乙醇酸的样品也不能夸耀大量新形成的骨头（第三排）。

但是，相反，施加了高弹性骨骼的样品显示出在缺陷边缘（第4行）的表面上形成了矿化的骨组织。 在观察的第8周，在缺损处，纤维组织和膜细胞成分出现在植入物内部，而在第12周，围绕植入物框架元素的新骨开始形成。


图片编号5

最后，在观察第12周时对具有超弹性骨骼的样品的SEM（扫描电子显微镜）图像进行的分析表明，组织与植入物内部的材料形成紧密的细胞接触。

要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您研究一下科学家的报告 。

结语

在这项工作中，科学家们展示了一种新型的成骨生物材料，该材料可以创建用于治疗骨缺损的植入物。 科学家们称他们的想法最重要的特征是：易于植入，易于制造，效率高，生产成本低以及为特定患者定制植入物。

超弹性骨骼确实非常柔软，在制造过程中和植入时都可以具有必要的形状，这极大地促进了该过程。 陶瓷和聚合物陶瓷植入物不能以此为荣。

但这并不是最重要的优势。 高度的骨再生和植入物存活更为重要。 植入后4周，开始活跃的骨矿化过程。

科学家们还注意到，在缺陷足够大的情况下（如在实际实验中证明的那样），这种速度和效率极为重要。

这种技术的使用可以大大简化医生和患者的生活。 治疗的独特性，生产速度，植入和快速恢复而无副作用-这是新技术的绝佳广告。 将来，科学家打算进行更多的实验，更详细地研究再生过程并改进他们的发明。

但是，值得注意的是，此类创新的存在并不意味着您可以左右折断骨头。 因此，没有人取消安全规则。



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