如果您非常仔細地觀察哥倫比亞大學醫療中心3D印表機上正在形成的C形彎曲物，您可能會看到膝蓋修復的未來。機器的微小針頭逐層噴射出一滴白色聚合物，與半月板的虛擬藍圖相匹配——半月板是堅韌的纖維軟骨的半圓形帶，作為膝蓋的減震器。Jeremy Mao實驗室的生物印表機可以在不到16分鐘的時間內生產出三個半月板。
這些特殊的部件註定要用於綿羊，綿羊是糾正半月板撕裂（最常見的人類關節損傷之一）的新方法的測試動物。外科醫生將用人造部件替代綿羊自身受損的半月板，作為癒合的支架。一旦裝置就位，嵌入其中的特殊蛋白質將吸引幹細胞，隨著聚合物分解，幹細胞將重建半月板。2014年12月發表的一項研究發現，使用這種方法僅需四到六週即可恢復綿羊的半月板。如果成功地為人類開發，這種新方法將遠遠優於醫生今天可以提供的治療方法，在大多數情況下，如果撕裂的組織引起疼痛或擾亂膝蓋功能，醫生只會簡單地將其切除。“我們追求的是真正的關節再生，”Mao解釋說。
綿羊實驗是整形外科更廣泛趨勢的一部分，旨在尋找方法誘導身體以比當前手術干預更有效和更持久的方式治癒關節。儘管現代整形外科在幫助人們重新站立方面做得很好，並且在職業運動員的情況下，能夠讓他們在崇高的水平上表現，但它並不能將受傷的膝蓋恢復到原來的狀態，並且通常無法阻止——甚至加劇——關節的長期惡化。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
由於原因尚不完全清楚，膝關節關鍵穩定結構的損傷通常會引發退行性過程，導致骨關節炎的軟骨磨損和慢性疼痛。下一代治療的目標是以儘可能自然的方式使膝蓋恢復其全部功能，這也可能減緩或阻止導致關節炎的失控迴圈。“這是修復和再生，而不是切除和置換，”波士頓兒童醫院運動醫學研究實驗室主任、整形外科醫生Martha M. Murray說。
需求巨大。在美國，每年估計有550萬人因膝蓋問題去看整形外科醫生。大約一百萬人接受門診膝關節手術，這個數字還不包括每年另有70萬人因單側或雙側膝蓋已到盡頭而最終接受人工關節置換。
為什麼這些關節不能自行癒合？
關於關節修復的新思維方式，大部分都植根於對關節中結締組織（肌腱、韌帶和軟骨）為何不一定像其他組織那樣癒合這個令人困惑的問題的研究。在許多這些結構中，一個主要問題是血液供應相對較差；血液中含有對癒合至關重要的細胞和蛋白質。
肌腱是連線肌肉和骨骼的柔韌纖維組織繩索，韌帶是連線骨骼和骨骼的略有彈性的帶狀組織，與大多數其他組織相比，它們從血管中獲得的營養較少。至於軟骨——例如骨骼末端超光滑的白色物質（想想雞腿），它有助於關節滑動——其中大部分沒有血液供應。“因此，軟骨幾乎沒有癒合能力，”紐約市特種外科醫院運動醫學和肩關節服務中心的整形外科醫生和研究員，以及紐約巨人隊的隊醫Scott Rodeo說。
儘管外科醫生有時可以縫合撕裂的半月板——特別是如果撕裂發生在外部區域，該區域有自己的血管供應——但在大多數情況下，他們只能切除磨損的碎片——2013年的一項主要研究發現，這種手術的長期價值值得懷疑。外科醫生也無法縫合前交叉韌帶（ACL）的撕裂，ACL位於膝蓋中部，是許多運動損傷的部位。相反，他們會切除撕裂的韌帶，並用屍體或患者自身身體的移植物來替換它。
除了血液供應不足外，ACL在關節囊中的中心位置（關節囊充滿了稱為滑液的潤滑劑）是韌帶無法自行癒合的另一個原因。傷口修復通常始於出血和血凝塊的形成。凝塊中稱為血小板的細胞會釋放某些促進癒合的蛋白質，而粘性凝塊本身則充當新細胞重建的臨時支架。然而，在關節中，滑液會溶解凝塊，“因此永遠不會有早期的橋樑讓癒合發生，”波士頓兒童醫院的Murray說。這就是為什麼ACL撕裂不會癒合，而附近的內側副韌帶（沿著膝蓋側面延伸，超出滑液範圍）的撕裂會慢慢地自行癒合。
自我修復的秘密
長期以來，整形外科醫生一直在嘗試誘導身體更好地修復軟骨、韌帶和肌腱。近年來，他們轉向所謂的“生物製劑”——由患者自身的血液和其他組織製成的物質。最受歡迎的生物製劑之一稱為富血小板血漿（PRP），它最初被口腔外科醫生用於幫助頜骨中骨骼和軟組織的再生。
PRP的生產和部署都很簡單：從患者身上抽取一些血液，在離心機中旋轉以濃縮血小板，然後將所得液體注射到受傷的關節中，或與手術結合使用。PRP富含生長因子和其他促進癒合的物質。到目前為止的研究表明，它可以幫助治癒發炎的肌腱，例如“網球肘”，並緩解關節炎關節的疼痛，但它是否可以有效解決其使用的各種問題尚不清楚。
一種較新的生物製劑由骨髓而非血液製成，並且比PRP含有更豐富的幹細胞。它也取自患者（透過髖部的細針，在區域性麻醉下），並使用離心機濃縮。骨髓抽吸物濃縮物（BMAC）可以變成緻密的凝塊，作為血紅色的填料，外科醫生用它來填充軟骨中的間隙，幷包圍和滋養移植組織。康奈爾大學的獸醫Lisa Fortier開發了這種物質，以幫助賽馬在軟骨損傷後重回賽道。它提供了她所謂的“組織修復三部曲”：充當短期支架的厚凝塊、生成新組織的幹細胞以及指導再生的生長因子。在人類和馬身上的研究表明，用BMAC修復的軟骨比用其他方式修復的軟骨具有更正常的結構。
由於PRP和BMAC來自患者並直接返回患者體內，因此它們無需獲得食品和藥物管理局的批准，並且它們的用途在沒有大量測試的情況下迅速傳播。“它們很難研究，”Rodeo指出，因為它們因人而異，導致結果不均。他預測，隨著進一步的研究，“我們可能會轉向更精細的方法——我們將確定骨髓抽吸物和PRP中我們想要保留的因素以及我們想要去除的因素”，並進行相應的修改。
儘管生物製劑似乎可以促進癒合，但它們無法生成足夠堅固的支架來修復撕裂的半月板或ACL。這就是研究人員正在嘗試3D列印和其他創新的原因。在波士頓兒童醫院，Murray正在測試一種小圓柱形海綿狀材料——由結締組織中發現的膠原蛋白等蛋白質製成——作為修復撕裂的ACL的支架。海綿浸泡在患者的血液中，然後縫合在韌帶的兩個撕裂端之間，為癒合建立一個臨時橋樑，很像血凝塊的作用。它在豬身上效果非常好，Murray和她的同事已獲得FDA批准，今年將在人體上試用。在豬身上一項特別有希望的發現是：接受新技術治療的豬比接受傳統ACL重建術的豬患關節炎的可能性要小得多。
儘管這些和其他正在興起的再生技術前景廣闊，但當然，儘可能保護您的膝蓋以儘量避免手術始終是一個好主意。但對於那些不幸到損傷這個複雜關節的人來說，未來看起來將更加堅固，痛苦也將大大減輕。