要制造一個好的框架來填補人體缺失的骨骼，用30%的粉狀天然骨加上一些特殊的人造塑料，再用一臺3D打印機打印出所需的形狀即可。這就是約翰·霍普金斯大學的研究人員4月18日在線發(fā)表在《ACS Biomaterials Science & Engineering》雜志上的一篇論文的結(jié)論。

約翰·霍普金斯大學的科學家們說，每年都會有大約20萬人因為出生缺陷、創(chuàng)傷或手術原因需要更換頭部或者臉部的骨骼。迄今為止，對于這些患者最好的治療方案是從病人不承擔身體重量的腓骨上取下一段骨頭，然后把它切成所需的形狀并植入正確的位置。但是該校醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系副教授Warren Grayson博士認為，這種方法不僅會造成腿部創(chuàng)傷，而且由于腓骨相對比較直，難以跟臉部的曲線擬合得特別好。

為了解決這一問題，研究人員們轉(zhuǎn)向了3D打印技術。眾所周知，這一技術非常擅長用塑料制造出極其精確的結(jié)構(gòu)——包括準確的解剖結(jié)構(gòu)。不過“放在塑料支架上的細胞需要一些引導因子才能夠轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌毎?rdquo;。Grayson博士說：“理想的支架是另一塊骨頭，但是天然骨骼通常無法非常精確地重新塑造。”

為此，Grayson和他的團隊希望通過實驗找到一種復合材料來3D打印骨骼支架，這種材料要能夠?qū)⑺芰系膹姸群涂纱蛴⌒耘c天然骨里存在的生物“信息”結(jié)合起來。

科學家們一開始就選擇了聚己內(nèi)酯（PCL），這是一種可降解聚酯，經(jīng)常用于制造那些已經(jīng)獲得FDA批準可以用于臨床的聚亞安酯。“PCL會在80到100攝氏度的時候融化，這個融點低于大多數(shù)塑料，所以對于那些通常會在較高溫度下?lián)p壞的生物材料來說，這是一個很好的混合對象。”Grayson團隊里的研究生Ethan Nyberg說。

盡管PCL的強度很高，但是研究團隊從以往的研究中了解到，它并不能很好地支持新骨的形成，所以科學家們將它與骨粉混合在一起。這種骨粉是將牛膝蓋骨內(nèi)部的多孔骨骼剝離細胞之后粉碎制成的。

“骨粉中含有源于生物體的結(jié)構(gòu)蛋白再加上親骨生長因子，可以幫助不成熟的干細胞成熟為骨細胞。”Grayson說：“它也增加了PCL的粗糙度，這有助于細胞的抓附和強化了生長因子的信息。”

Grayson稱他們對該復合材料進行的第一個測試是可打印性。其中5份骨粉含量為30%和70%的混合物表現(xiàn)出色。而當骨粉的比例達到85%時，由于PCL“膠水”太少而不能保持清晰的晶格形狀，因此在隨后的實驗中被淘汰。

另外，為了研究該支架是否能夠刺激骨骼形成，研究人員通過吸脂術為支架添加人類脂肪源性干細胞，并將支架浸在缺乏親骨成分的營養(yǎng)培養(yǎng)基中。

三周之后，在含有70%粉骨的支架上的細胞的基因活性比純PCL支架上生長的細胞高出幾百倍，而在含有30%的骨粉的支架上的細胞的基因活性也很高，但沒有前者那么令人印象深刻升幅。

隨后，科學家們將關鍵成分β-甘油磷酸加到細胞的培養(yǎng)基中，使它們的酶可以沉積骨骼的主要礦物質(zhì)——鈣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與在純PCL支架上的細胞相比，在30%骨粉支架上的細胞每個多產(chǎn)生大約30%的鈣，而那些在70%支架上的細胞可以產(chǎn)生超過兩倍的鈣。

最后，研究團隊將其支架在小鼠身上進行實驗，這個實驗小鼠的頭骨被研究人員弄出了一個很大的洞，如果沒有干預的話，這頭骨的創(chuàng)面太大不可能自行愈合。在隨后12周的實驗里，研究人員將裝滿干細胞的支架植入小鼠的傷口，讓新骨在洞里生長。CT掃描顯示與純PCL支架相比，那些含有30%或70%的骨粉的支架骨骼生長量至少增加了50%。

“在培養(yǎng)基實驗中，含70%骨粉的支架要比含30%骨粉的支架更能促進骨的形成。”Grayson說格雷森：“但是30%的支架強度更高一些。由于在老鼠頭骨實驗中兩者的區(qū)別并不大，我們正在進行更進一步的研究以找出哪種混合整體效果最佳。”

雖然"脫細胞"的牛骨已經(jīng)被FDA批準可用于臨床使用，研究人員們說，在今后的研究中，他們希望能測試人類骨粉，因為后者的臨床應用更為廣泛。