人造骨骼在學術界似乎已經是一個定論的問題；人們覺得沒有什麼可以發明的了。但隨後，西北大學的材料科學家開始與外科醫生交談。在100次採訪中，他們意識到，外科醫生遠未對現有選擇感到滿意，他們想要更多。外科醫生抱怨說，骨移植材料太脆了。它無法被擠入狹小的空間以進行微創手術，而且它與現有組織的融合效果不佳，有時會造成生長和癒合問題。
因此，在助理教授拉米爾·沙阿和她的博士後研究員亞當·雅庫斯的領導下，研究人員開發了一種可以利用3D列印墨水生產的合成“超彈性”骨組織。在對齧齒動物和恆河猴進行的幾項實驗中，這種材料似乎能夠與新的天然骨融合。他們在週三發表於《科學轉化醫學》雜誌上的結果中表示，它足夠堅固，可以用於股骨，而且足夠靈活，可以透過小切口擠壓。
這種合成骨骼距離人體試驗還需要數年時間。但如果它繼續表現良好，則可以考慮用於脊柱融合、骨折、前交叉韌帶 (ACR) 或肩袖損傷或顱面手術，沙阿在介紹這項工作的新聞釋出會上說。希望這種材料也能被證明可以隨著患者一起生長，這意味著它可以用於兒童和成人。
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這段彙編影片顯示了超彈性人造骨骼被3D列印成各種形狀。稍後，影片展示了這種合成骨骼如何在微創手術期間透過微小的開口擠壓。圖片來源：亞當·E·雅庫斯，博士
該團隊的見解來自於將生物工程中使用的材料與工業界的生產方法相結合的想法，雅庫斯說，他的學術背景是冶金和爆炸材料。他說，他受到了從磚塊到馬桶的各種商品的擠壓制造工藝的啟發。他將該技術過程的要素與醫學中常用的材料相結合，包括羥基磷灰石，一種常見的骨骼中存在的鈣形式。該團隊的印表機將由羥基磷灰石和可生物降解的聚酯製成的化合物一層一層地擠壓出來，該聚酯將墨水的各層粘合在一起。
研究人員可以使用3D印表機列印他們的超彈性骨骼——因此不需要加熱材料，否則會使其變脆並殺死新增的防止感染的抗生素。墨水可以儲存長達一年，而且該過程快速且可以在大規模上實施；雅庫斯說，身體部位可以在幾分鐘到幾小時內打印出來。他和沙阿希望這將使製造成本足夠低廉，有朝一日可以在醫院和世界貧困地區實現。
耶魯大學麻醉學副主席勞拉·尼克拉森沒有參與這項工作，她說她對他們的結果印象深刻。“據我所見，這是一種非常出色的材料，因為它既堅固又柔韌，”她說。尼克拉森特別指出該團隊在猴子身上進行的實驗，該猴子的頭骨稀疏區域接受了超彈性骨的移植。由於不確定手術前損傷的大小，研究人員列印了一塊過大的骨骼，然後外科醫生將其切下來以適應。研究表明，在一個月內，它已經融入了猴子現有的頭骨中。“你在靈長類動物身上看到的結果往往能很好地轉化為你在人類身上看到的結果，”她說，並補充說這項工作“需要更多的驗證，但我會說這是令人興奮和鼓舞的。”尼克拉森說，下一個挑戰——她自己的研究重點是心臟和肺——將是找到一種方法來列印功能性的、承重的結締組織，如心肌、肌腱和韌帶。
雅庫斯說，當團隊首次打印出合成材料時，他們對其機械效能、易列印性和融入活骨的能力感到震驚。“生物效應非常驚人，”他說。在實驗室裡，研究人員將超彈性骨骼與能夠轉化為其他細胞型別的人類幹細胞一起培養。雅庫斯說，他們驚訝地發現，在一週之內，幹細胞就變成了骨細胞，並開始製造自己的礦物質。
在另一項測試該材料前景的實驗中，該團隊在不到三個小時的時間內打印出了人類下頜骨。在另一項實驗中，他們報告說，當將合成材料注射到小鼠皮膚下時，它迅速與小鼠組織融合，沒有免疫排斥的跡象。據報道，人造骨骼還能夠融合兩個椎骨並替代大鼠股骨的一部分，表明它可以在人體中承受相當於 150 磅的重量。研究報告稱，在超彈性骨中新增生長因子可以促進健康生長。雅庫斯說，該物質由已經獲得 FDA 批准並經過廣泛測試的材料製成。
研究人員說，材料固有的微小孔洞允許血管和其他細胞融入人造骨骼，將其轉化為活的、生長的組織。雖然他們尚未確切證明超彈性骨骼是如何自我融合的，但雅庫斯說他認為它的作用是因為骨骼與真實的骨骼相似但不完全相同——這可能使其更有效。“在某種程度上，它模仿了天然骨骼，但還不夠接近，”他說。“細胞可能會認為這是不完整的骨骼，因此會促使它們將其重塑為天然骨骼。”
此 GIF 顯示了列印的合成骨骼如何承受足夠的壓力，以便在需要強度的身體部位（如腿骨）中使用。圖片來源：Rahkendra Ice / A. Jakus et al. / 科學轉化醫學
佐治亞理工學院材料科學與工程學院教授兼院長納雷什·塔達尼沒有參與這項研究，但他表示，他很高興看到雅庫斯的想法自這位年輕人在他的實驗室裡擔任博士生以來取得的進展。“他們已經走了很長的路，”他說。塔達尼補充說，這種材料很有前途，但他對沙阿和雅庫斯正在追求的更廣泛的創新也很感興趣：為不同的生物醫學和工業用途開發不同的墨水。
該團隊希望其可列印墨水的概念將具有從能源到電子產品以及生物工程的應用。沙阿說，他們擁有不同物質型別的完整產品組合，包括金屬和碳基材料。雅庫斯說，就其本身而言，超彈性骨骼“是一種了不起的材料，對於臨床骨科手術用途來說非常棒。但它[也是]一個更大的系統的一部分，該系統將3D列印提升到超越新穎性的地位。”