半月板是我們膝關節里面的一小塊軟骨，雖然很多人都沒聽說過，但它在腿部的正常功能中起重要作用。不幸的是，半月板受傷十分常見，而且常可導致關節炎并引起劇烈疼痛。
幸運的是，美國哥倫比亞大學醫學中心的研究人員設計了一種方法，使用個性化定制的3D打印植入物，該植入物中注入了刺激干細胞的蛋白質，以替代受損的半月板，促使人體在膝關節處再生出一個全新的、功能性襯里。
目前，這一治療方案已經在羊身上獲得了成功，羊的膝蓋結構與人類似。而且該技術可以為受損半月板提供有效而持久的修復。預計這一技術將惠及全世界數以百萬計的患者。
研究人員對于羊的臨床實驗過程是這樣的：研究團隊在Jeremy Mao的帶領下對于羊的完好膝蓋中的正常半月板進行MRI掃描；掃描結果隨后被轉換成3D模型并將其發送到3D打印機中，由其根據原始半月板的精確形狀和尺寸打印出植入物或支架。3D打印機的精度高達10微米，可以實現遠超手工的分辨率。該支架或植入物使用可生物降解的聚己內酯（PCL）材料，打印過程需要大約30分鐘。PCL也常常被用作外殼縫合線的原料。
從左到右：羊半月板、激光掃描獲得的半月板3D模型和3D打印的半月板支架
Mao博士解釋說，該支架需依次進行兩次人類蛋白質注入。結締組織生長因子（CTGF）和轉化生長因子β3（TGFβ3）的蛋白質能夠刺激人體內部的干細胞，促使他們重新生成半月板組織。
至關重要的是，兩次蛋白質注入一定要按順序釋放到支架的特定區域。為了做到這一點，研究人員將蛋白質封裝在兩種類型的緩溶聚合物微球中。首先釋放是CTGF，它可以刺激外部半月板的生成，然后是TGFβ3刺激內部半月板。經過充分生長后，上述支架和蛋白質被插入受損的膝蓋中。
常規的組織工程方法是，從身體中提取干細胞，在實驗室中進行培養生長，然后再將其置入患者體內。而本文研究團隊的方法則大不相同，Mao博士稱，他們“使用促進內源性干細胞組織再生因子在人體內啟動了這一過程。”
研究團隊對11只綿羊進行了試驗，其中一只隨機選擇的綿羊接受了蛋白質注入的3D支架，而其余的則接受沒有蛋白質的3D支架。據了解，平均到六周之后，接收到的蛋白質輸注治療的綿羊已經能夠像正常綿羊一樣經受負重和運動。而且由于聚己內酯的特性，支架最終溶解和被排出體外，不留痕跡。事后檢查發現，再生的半月板在結構和機械性能上與自然半月板非常相似。
右：有蛋白質刺激的再生羊半月板。 左：無蛋白質的再生半月板。
這一治療方案的成功對于醫患雙方都是好消息。“目前，幾乎沒有骨科醫生能做到再生撕裂的膝蓋半月板。”Mao博士說。“一些小的撕裂可縫回原處，但更大的撕裂必須手術切除。” 切除可以幫助減少疼痛和腫脹，但它使膝蓋失去了一個天然的減震器，并增加關節炎的風險。
用人體其它部分組織培養出來的半月板進行移植也是一種選擇，但是這種辦法成功率低而且風險很大。Mao博士的3D打印方式似乎是一個比較明確的解決方案。
“我們認為，個性化的半月板支架，從最初的MRI掃描到3D打印，可以在幾天內完成。”Maori博士說。個性化的支架可以在一周之內運到醫院，減少了手術和恢復的總體時間。 研究人員希望一旦資金到位，立刻開展臨床試驗。
“這項研究雖然是初步的，但是展示了一種使用創新方法實現半月板再生的潛力。”這項研究的共同作者Scott Rodeo博士說，他是紐約市特種外科醫院的運動醫學整形外科醫生兼研究人員。研究論文于12月10日發表在《Science Translational Medicine》網絡版上。除了Mao博士和 Rodeo醫生，康納爾大學獸醫學院大型動物外科的Lisa Ann Fortier教授也部分參與了這項研究。
資助這項研究的是美國國立衛生研究院、北美關節鏡學會、美國骨科運動醫學學會和Harry M. Zweig基金會。
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