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新型3D打印法为你量身定制人工骨骼

投稿作者 欧阳兴梅

原文来自日本理化学研究所(RIKEN)Press Release 经作者编辑整理

3D打印个体化人工骨骼(用于骨组织缺损部位的治疗),已经不是很新鲜的事情,很多已投入到临床中,并产品化了。然而,这是一个对材料和机械(工业社会的两大支柱)要求极高的产业,目前高昂的机械设备和合适的材料仍是限制它普及化的瓶颈。

说到材料,化学人肯定想到了骨头中的两个核心元素钙和磷。的确如此,骨骼是由25 %的羟基磷灰石胶原纤维和65 %羟基磷灰石纳米结晶组成。然而人工骨骼材料,实际上是从最初的不锈钢到后来的钛金属及其合金而发展起来的,随后生物相容性较好的羟基磷灰石材料和生物玻璃也相继被应用到人工骨骼中。虽然它们在取代不同部位缺损骨上发挥着各自的特点,但目前为止上述材料无一能完全达到理想人工骨的要求,那就是有良好的生物相容性;有骨置换性,其中的微孔结构便于新生骨组织的成长;有合适的力学性能(例如强度);易于加工成所需的大小和形状。例如颗粒型的人工骨骼,骨置换性好,但强度低;相反胶泥型的人工骨骼则骨置换性差,但变形自由,固化后强度高。

而3D打印,因其可将缺损骨形状精密的再现等优点,近年来在人工骨骼领域取得突飞猛进的发展,世界各地越来越多的科研团队参与到3D打印人工骨骼方面的研究中。常用的3D打印技术就是采用激光或者电子束将所需要部位的材料熔融成型,这个PBF (Powder Bed Fusion)技术使用的材料多是纯钛或者钛合金(Ti-6Al-4V),由于这些材料存在着无骨置换性和长期使用可能会导致金属过敏的副作用的缺陷,所以PBF打印技术的发展受到限制。另一种打印方式是日本理化学研究所早在2003年采用的BJ (Binder Jetting) 3D打印方式,使用磷酸三钙[Ca3(PO4)2] 类粉末材料来制作人工骨骼。虽然这种人工骨骼与人体骨有好的生物相容性,然而为了使人工骨骼有更好的强度,打印后需要花一定的时间进行水合反应后处理来提高强度,尽管如此,最终所制得的人工骨骼在强度、骨置换性和孔径尺寸(2 mm)方面仍是差强人意。

自2014年,日本理化学研究所与NEXT21公司和东京大学共同开发出世界上第一个专门用于打印人工骨骼的3D打印机以来,日本理化学研究所又和理光(RICOH)公司联手开发出一种3D打印人工骨骼的新方法,在以往工作的基础上,通过对材料和打印喷头的改良,在BJ方式下,成功打印出不仅与患者缺损骨(包含缺损骨内部)形状完全匹配的高精度人工骨骼,而且此人工骨骼具有高强度、可再生和良好骨置换性的优点。研究成果发表于4月在美国召开的Society For Biomaterials’ 2018 Annual Meeting 上。

在新的3D打印人工骨骼的方法中,研究小组采用了在溶解性和可生物降解性上更优良的α单斜晶系磷酸三钙(tricalciumphosphates, TCP),通过羟基乙叉二膦酸等组分调和成的新型凝固油墨(ink)对其的螯合作用,来完成三维人工骨骼的合成。 整个过程是在RICOH研发的打印机上成功完成的。首先将骨缺损部位进行CT扫描,然后将每个断层面数据化,最后按照获得的3D数据将与缺损骨形状一样的人工骨骼打印出来。打印方式是按照粉末层积原理进行的(图1),根据数据先制作一层α- TCP粉末层,接着位于粉末层上方的喷头里喷出羟基乙叉二膦酸等组成的凝固油墨与这层α- TCP粉末进行螯合反应发生硬化,就这样一层一层累积叠加成形,最终没有硬化的部分被吹掉(airblow),没有发生螯合反应的用水洗掉。具体来讲,在粉末层积装置中,有两个装有α- TCP的粉末槽,每个槽可以独立升降,一个是粉末供给槽,一个是造形槽,记录仪可将粉末供给槽中的粉末均一地装填进造形槽里的造形层上,每一层的厚度约为150 μm。接着喷涂凝固油墨,数秒内造形层就完全硬化,最后用水清洗数分钟即可得到细胞能够繁殖的人工骨骼,无需再进行烧结等繁杂耗时的后处理。此制造方法有望实现人工骨骼的高产出。此外,研究结果显示这种相对密度为60 %的人工骨骼,具有与人体骨同等的强度(25-30 MPa)。另外,如果调整制造过程的条件,不仅可以造出适合细胞侵入的孔隙(约200 μm),而且可以制作出各种复杂形状的人工骨骼。

图 1 三维层积制造人工骨骼过程

为了证实人工骨骼的生物相容性,研究小组又进行了细胞骨内繁殖实验和动物移植实验。结果表明在培养环境下带有荧光标记的细胞可在骨内繁殖,由此也确认了人工骨骼的安全性。随后研究小组在老鼠的腿骨上进行了移植实验(图2),首先在老鼠的大腿骨外侧各开了一个2.2 mm的孔洞,一个放入直径为2 mm 的α- TCP三维人工骨骼(新制备法:BJ柱),一个放入市售品α- TCP胶泥(商品名:BIOPEX®)圆柱(旧制备法:CE柱),结果如图2所示,仅一周后存在海绵骨里的破骨细胞和骨芽细胞就侵入到BJ柱中,而四周后CE柱仍没有任何变化,由此可见,通过新开发的方法制造的人工骨骼能够迅速被原来的骨组织所取代。

图2 在老鼠腿骨上移植新型方法和常用方法制造的人工骨骼的效果比较

综上所述,根据研究小组开发的新方法可以设计出包括骨骼内部的三维孔状结构,从而能打印出高精度的三维人工骨骼,由此实现了可任意制作各种形状且内部骨髓移动不受限制的人工骨骼的制作。更具特色的是,由于所制备的人工骨骼能反映出骨内部结构,促进恢复骨的再生机能,所以这种新的造型方法也可以说是一种适于骨骼再生的人工骨骼制造方法。通过这个新的3D打印技术,为每个患者量身定制再生人工骨骼将指日可待。

 

文献

  1. Masaki Watanabe(1), Yuki Tsujimura(2), Shintaro Oyama(2,3), Kenji Yamazawa(2), Hideo Yokota(2), “Development of new binder jetting process for fabricating bone regeneration implants”, 1. RICOH company Ltd. 2. RIKEN RAP 3. Nagoya University. Society For Biomaterials’ 2018 Annual Meeting (20180412).
  2. Shintaro Oyama(1,2), Masaki Watanabe(3), Yuki Tsujimura(1), Kenji Yamazawa(1), Hideo Yokota(1), “In Vivo Study of Stable Alpha-TCP Scaffolds Fabricated by Modified Binder Jetting”, 1. RIKEN Center for Advanced Photonics; 2. Nagoya University Department of Hand Surgery; 3. RICOH Company Ltd. Society For Biomaterials’ 2018 Annual Meeting (20180414).

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