骨安排工程学为骨残缺修正供给期望
在曩昔的十多年里,科学家们现已开端用安排工程学的手法,在实验室里培育制作人体器官(例如耳朵),而今日科学家们更多地在探究骨骼范畴的安排再造,而且是用打印机直接打出来。
自骨外科手术年代敞开一百年以来,骨残缺就一直是个困扰医学界的大难题。迄今为止,人类运用的自体移植骨、异体移植骨、异种骨都不能满意广泛的、杂乱情况下的医治需求,且这样那样的各栽培骨并发症令人烦恼。上世纪90年代以来的骨安排工程学(Bone Tissue Engineering,BTE)则为骨残缺修正供给了长时刻期望。
骨安排工程学(BTE)的基本思路:干细胞+支架资料+构建。一个完好的BTE是由四个不可或缺的要素构成的:多能分解的干细胞,可以在体表里发展为成骨细胞,继而生成骨细胞;干细胞发育成长的骨架、通常是具有生物活性、模仿人体微孔结构的的无机或有机资料;促进分解、成骨和骨安排老练的各种细胞因子;新骨发育和修正过程中所必需的血液循环。除了具有以上四个要素外,还有一个最要害、也是最难的问题,是完成以上各个要素的整合,实在建构出一个安排工程骨来。
借3D打印把骨安排直接打印出来
骨安排工程学这么好,在临床使用方面的发展却只能用“慢慢吞吞”来描述。缓慢的原因,最主要就两个:一是杂乱而慢;二是不经济。骨残缺的修正不容许有绵长时刻的等候,如长年累月的实验室制备、组成、培育,这也会让医治的经济价值高得不切实际,骨残缺的更需求有个性化的计划。正如到上海儿童医学中心求治的“外星人男婴”,主刀医师鲍南就表明,每一例狭颅症的矫形手术都是绝无仅有的。
在1999—2004年这段时刻里,3D打印开端被用于细胞支架资料的打印,这可是个革命性的前进,骨安排工程学医治所需的生物支架资料可以不受批量生产的约束,随时打印随时取用了。
是否可以用3D打印的办法,直接将细胞、蛋白分子和支架资料一股脑儿地直接打印出一个立体结构来呢?有位俄罗斯科学家Mironov以为,这是可行的。2009年,Mironov先生首要用计算机模仿出一个骨残缺部位的立体形状,然后进行3D的细胞、支架、成骨因子“一揽子”打印,再在培育箱里进行短时刻的“孵育”,然后就可以把这个彻底个性化地、一起具有人体重生骨骼全部必备要素的3D打印骨,移植在患者身上。Mironov把这个称之为“生物仿制”。这个在骨科范畴提出的“生物仿制”概念,精确地说,是用其时还很新潮的3D打印技能,把骨安排直接打印出来。
3D打印技能使用于骨安排的直接打印,发展到今日,现已日渐老练。在“外星人男婴”的医治过程中,主刀医师鲍南表明,曾经进行颅骨矫形手术全赖术中解剖后按实际情况凭经历施行,究竟作用怎么只能等手术完毕,头皮缝合完后才干看出来。现在运用3D打印技能,术前就按1∶1的份额重现了变形的头骨,鲍南医师一边在脑中幻想着裁剪计划,一边在这个立体的、实在的头骨模型上画下了手术切割线。什物模型不仅为手术计划供给精准攻略,还可以经过提早丈量爸爸妈妈面部数据,为患儿塑形后的面庞表现爸爸妈妈特征供给根据。
骨打印会变得越来越便利越来越快速
在Mironov的启发下,欧洲、美国的多支研讨团队开发出了契合上述理念的3D打印骨制作技能。其间具有代表性的有“光固化成型”(或称“立体光雕”)技能。办法是,将细胞、蛋白质分子培育在一个基质溶液池子里,然后将激光束或紫外线射入这锅“细胞汤”,池子里的基质液体是光敏感性的,受照耀后就快速凝结,经过操控光照的方向可以制作出3维形状的固体出来。这就好比是在家里克己布丁,所不同的是,用这种办法做出来的,是一个布丁液中的特别形状布丁。立体光雕法的优点在于成型快速,可是缺陷是每一层固化体之间的细胞活动和交流不太晓畅。
还有一种办法叫“生物墨水”技能,所用到的就如一般打印机那样的简易设备,不光廉价、安全、而且高度自动化。用这种办法打印出来的3D骨还具有很好的微孔功能,便于细胞的移动和增殖。缺陷便是无法打那些体型较大的干细胞,没办法,仍是喷嘴的原因。
此外还有Bio-Plotting等简单易行的打针打印技能。可以说,骨打印会变得越来越便利、越来越快速,在3D打印一次性构建重生骨的一起,科学家们还经过基质(支架)资料不断优化、微孔功能不断改进的尽力,使得这种3D打印出来的骨安排,在植入体内后,可以快速招引重生血管的长入、钙磷等矿物质的沉积、以及血液中各种细胞因子的会聚,使得3D打印骨在最短的时刻里变得巩固、与人体本身的骨骼融为一体。
3D打印的骨安排不仅为临床上很多的骨残缺患者带来了经济、高效、个性化的福音,还可以被用于药物实验、以及各种罕见的骨疾病的研讨,大大地改动咱们的国际。
未来的3D打印骨,一定是在各项功能上与人体骨骼愈加挨近,而且可以随时打印、随时植入的,其便利程度,或许技能人员只需像今日的打字员那样,轻描淡写地问医师:“您是要喷墨的,仍是要激光打印?”