ELAINE項目研究利用3D打印技術制造具生物活性的骨植入物

導讀：骨骼具備高度的自愈能力。在滑雪、自行車摔倒或其他意外事故中發(fā)生的骨折情況下，骨頭通常能夠自行重新生長，盡管所需時間取決于多個因素，包括年齡和骨折的嚴重程度。然而，當腫瘤導致較大的骨缺損時，骨骼無法進行自我再生。在這種情況下，通常采用植入物，由鈦或患者其他身體部位的骨材料制成。

△ELAINE正在研究使用3D打印生產(chǎn)骨植入物

2023年10月9日，南極熊獲悉，最新的技術趨勢之一是使用3D打印，例如，羅斯托克大學的ELAINE項目正在進行研究，旨在使用生物活性材料制造可替代骨骼的結構。該項目由Hermann Seitz教授領導。

傳統(tǒng)上，鈦是常用的骨骼替代材料，但很難適應個體解剖條件，且可能導致長期問題。為了克服這些問題，ELAINE研究小組借助3D打印技術，致力于生產(chǎn)更適應性更好、副作用更少的骨植入物。該團隊的目標是提供更先進、個性化的治療方案，為骨缺損的患者帶來更好的康復效果。

△Hermann Seitz教授（右）和他的研究小組

ELAINE研究小組的目標是生產(chǎn)電活性植入物，其行為類似于自然骨骼結構。科學家們以骨骼生理學為指導，利用已知的骨骼壓電性知識進行研究。當固體受到機械變形并產(chǎn)生應力時，壓電效應會發(fā)生，即電信號會傳遞到組織，從而促進骨骼生長。

微流體系1270合作研究中心的博士生Christian Polley表示：“壓電是生物體持續(xù)骨骼重塑的關鍵因素，這種壓電效應確保細胞受到刺激并促進生長�！�

基于這些知識，研究小組使用3D打印技術制造了植入物，采用了壓電陶瓷，特別是鈦酸鋇。鈦酸鋇是一種壓電陶瓷，在受力時產(chǎn)生電勢。在ELAINE的研究方法中，將鈦酸鋇與生物活性玻璃結合使用。當該材料與體液接觸時，會釋放離子，發(fā)揮其生物活性。然后，通過3D打印將生物活性材料制造成植入物。這一創(chuàng)新方法有望為骨缺損患者提供更有效的治療選擇，以促進骨骼的健康重建。

△采用Lithoz 3D打印技術制造的陶瓷樣件

3D打印模仿真實骨骼的骨植入物

3D打印的主要優(yōu)勢在于數(shù)字重建后，能夠將植入物精確地放入3D打印機中，并為每位患者單獨生產(chǎn)所需的植入物。Polley說：“我們事先就知道拼圖的具體形狀，然后采用基于Lithoz的LCM（基于光刻的陶瓷制造）3D打印技術構建。對于ELAINE項目，光敏聚合物中攜帶壓電陶瓷顆粒，然后通過光固化形成金絲結構。隨后，在熱后處理過程中，打印部件被燒結。雖然3D打印本身只需要幾小時，但后期處理需要整夜進行。由于制造過程的原因，植入物是無菌的并具有生物相容性，可以安全插入患者體內(nèi)。

羅斯托克大學的Seitz表示：“我們已經(jīng)成功地在模擬室中進行了測試，可以忠實地模擬生物體內(nèi)的壓力。我們的目標是創(chuàng)建一種植入物，它能夠對機械刺激做出壓電響應，并具備生物活性�！� 他們希望實現(xiàn)的目標是讓鄰近組織的骨細胞遷移到多孔植入物中并定居。如果定植和血管形成成功，植入物將能夠在患者體內(nèi)穩(wěn)定存在。

△未來，可以使用3D打印機的骨植入物來制造更大的植入物，例如用于重建頭骨的植入物

盡管迄今為止，ELAINE合作研究中心的成果進展順利，但在這些植入物真正投入使用之前，仍需要進行大量的基礎研究。Seitz解釋說，這些植入物很可能還需要十年時間才能真正投入日常臨床使用。