美國西北大學研究團隊開發了一種3D打印墨水，用于生產合成骨植入物。這種“超彈性骨”材料，可以迅速誘導骨再生和生長，形狀輕松定制，有望在兒童骨缺損治療中發揮重要作用。

    骨植入手術是從身體其他部位取出一段骨頭，取代缺失的骨頭，這往往會導致其他并發癥和疼痛。骨植入手術從來不是一個簡單的過程，特別對于兒童而言，將意味著更嚴重的痛苦和麻煩。手術有時會使用金屬植入物，但對于成長的兒童來說這并非長久之計。

    “對于植入物，成年人會有更多的選擇，幼兒患者卻沒有。如果你給他們植入一個永久性植入物，隨著他們的成長，你必須在未來做更多的手術，并且他們可能面臨數以年計的麻煩。”研究負責人Ramille N. Shah說。

    Shah是西北大學McCormick工程學院材料科學與工程學和Feinberg醫學院外科學助理教授。她和她的團隊希望改變骨移植物的屬性，尤其希望能幫助到兒童患者。研究采用人類干細胞和動物模型對材料性能進行評估，該研究成果已于9月28日發表在Science Translational Medicine上，在Shah實驗室做博士后的Adam E. Jakus是該論文的第一作者。

    Shah的3D打印材料由羥基磷灰石（在人骨中發現的自然鈣礦物）與一種具有生物相容性、可生物降解的高分子材料（該材料廣泛應用于許多醫療應用，包括縫合線）混合而成。該“超彈性骨”材料在動物體模型中顯示出巨大的潛力，這得益于其獨特的印刷結構性能。大多數羥基磷灰石在納觀，微觀和宏觀層次都表現出超彈性、魯棒性和多孔性。

    “當組織再生時，細胞和血管會滲透到支架，所以孔隙率是巨大的，而我們的3D結構都有不同程度的孔隙率，在物理和生物特性方面是有利的。” Shah說。

    雖然羥基磷灰石已被證明可以誘導骨再生，但使用羥磷灰石或其它磷酸鈣陶瓷制備的臨床產品硬而脆，這也是眾所周知的棘手難題。為了彌補不足，以前的研究者創造了由大量聚合物組成的結構，但是喪失了生物陶瓷的活性。然而，Shah的骨生物材料，由90wt.%的羥基磷灰石和10wt.%的聚合物組成，結構預先設計并通過3D打印制造，因而仍保持著彈性，高濃度的羥基磷灰石為誘導骨快速再生創造了環境。

    “細胞可以感知羥基磷灰石并進行生物活性的回應，當你把干細胞放在我們的支架上時，在沒有任何其他的骨誘導物質存在的情況下，它們會轉變成骨細胞，并開始上調自己的骨特異性基因的表達，這只是細胞與材料本身之間的相互作用。

    但這并不是說其他物質不能被組合成油墨。由于3D打印過程是在室溫下進行，我們能夠將其他元素，如抗生素，混合到油墨中以減少術后感染的可能性。如果需要的話，我們還可以將油墨與不同類型的生長因子結合，進一步提高再生性能，這是一個真正的多功能材料。” Shah說。

    然而，該材料最大的優點是，最終產品可以定制。在傳統的骨移植手術中，從身體的另一部分獲得的骨，需要被塑造成完全契合適合它植入部分的形狀。而使用Shah的合成材料，醫生將能夠掃描病人的身體并3D打印個性化產品。另外，由于機械性能優異，該生物材料也可以修剪，并被切割成任意大小和形狀。相比采用自體移植材料，這種材料不僅更快且痛苦更少。

    Shah認為有一天醫院可能會有3D打印機，患者可以24小時排隊打印定制植入物，這對于顱頜面整形外科手術將是一個重大變革。