大約在20年前，Bob Pilliar教授開始尋找合成骨的替代材料。一度，塑料、金屬和陶瓷都曾經(jīng)被認為是可用于關(guān)節(jié)置換的最新和最好的材料，但是它們對患者的疼痛緩解和活動能力的恢復是有前提的，那就是這些材料不能持久。Pilliar被稱為加拿大的陶瓷材料之父。
如今，通過與另外兩位研究者攜手，已經(jīng)成為多倫多大學牙醫(yī)學院、生物材料與生物醫(yī)學工程學院名譽教授的Pilliar找到了可以用來制造未來植入物的天然成分。要取代人造的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，他的部件必須是生物降解、持久和針對患者的特點量身定做的。
最終，研究人員們找到了一種以磷酸鈣形式存在的有效配方。這種粉末是由與人類骨骼中同樣的礦物成分組成的，它來自美國種子巨頭孟山都公司已經(jīng)放棄開發(fā)的一種可降解生物材料。經(jīng)過一番研究，Pilliar和他的同事們相信自己已經(jīng)找到了可以創(chuàng)建骨骼替代材料的正確化合物，在此之后他們需要的只是找到合適的制造方式。
為此，一位年輕的機電一體化工程師Mihaela Vlasea接下了這個任務。她是增材制造領(lǐng)域中的高手。她根據(jù)這一材料的特點和要求，專門開發(fā)出了一臺定制的3D打印機。據(jù)了解，這臺設備有一個雙門冰箱那么大，它使用紫外線來將磷酸鈣粉末粘結(jié)在一起。使用這臺機器，Vlasea以針尖大小的精度在植入內(nèi)部制造管道和空腔。
形象地說，這種3D打印的骨骼植入物就像一個蟻丘，其內(nèi)部布滿了用于運送養(yǎng)分的管道網(wǎng)絡，而且這個網(wǎng)絡的出口就是植入物表面的一個個小孔。一旦植入，人體的骨細胞就會在散播開來，并與骨骼結(jié)構(gòu)機械互鎖在一起。
“我們在該部件內(nèi)部安排細孔的方式基本上能夠使自然骨在植入物內(nèi)以不同的速率生長。”她說，并補充稱該方法也可以應用于設計燃料電池和牙科植入物。
隨著時間推移，聚磷酸鈣被人體吸收，而患者的組織和細胞則長成了人工植入物的形狀。“我們希望能夠用它來代替人工關(guān)節(jié)，和拜托所有的金屬材料。但是在短期內(nèi)，我們還只能嘗試用它來代替小塊的骨頭。”Pilliar教授說。“如果我們獲得成功，再進一步嘗試用它來生成更大的關(guān)節(jié)。
除此之外，Pilliar教授也在開發(fā)人類軟骨的替代物，如果成功，對于眾多的關(guān)節(jié)炎患者來說無疑是一大福音。
與我們的常識不同，關(guān)節(jié)炎患者實際上并不只限于城市里的老年人。這種疾病主要是由外傷、畸形的關(guān)節(jié)或運動損傷引起的。目前由于軟骨細胞不能再生，對于它的治療手段十分有限。
"現(xiàn)在，如果關(guān)節(jié)受損的話，是沒有真正的治療手段是可以刺激其修復的。”Mount Sinai醫(yī)院的病理學和實驗室醫(yī)學主任Rita Kandel：“最終，你只能依靠用金屬和塑料材質(zhì)制成的替代物。”
作為這一骨骼項目的三個主要研究者之一，Kandel曾經(jīng)與Pilliar教授和多倫多大學的研究員Marc Grynpas共同合作了二十多年。
據(jù)她說，當今這種統(tǒng)一規(guī)格的植入物的使用壽命在20到30年之前，在此之后就需要再動手術(shù)來更換新的植入物。Kandel希望通過使用患者自己的組織和細胞打造的“生物關(guān)節(jié)替換物”來解決這個問題。
為此，Kandel嘗試從患者的骨髓中提取干細胞，然后在實驗室里重新編碼，培養(yǎng)成不成熟的軟骨細胞。這批細胞經(jīng)過幾個星期的時間之后成熟，研究人員將其層積在滑鐵盧大學3D打印的鈣磷酸鹽植入物上并使其生長。據(jù)了解，該植入物一旦通過手術(shù)植入體內(nèi)，就能夠自然地發(fā)揮功能，甚至可以治愈自己。
Kandel將其稱為“生物性重鋪表面（biological resurfacing）”，該技術(shù)進一步降低了植入物在植入人體之后遭受排異反應的可能性。“如果你使用患者自己的細胞的話，它們就不會被人體認為是外來的異物。”她說并補充稱這種新型的治療手段可以從根本上阻止關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。
雖然這種定制植入物可能的價格到現(xiàn)在還不得而知，但Kandel預期該產(chǎn)品商業(yè)化之后會更加便宜，因為其使用的原材料價格很低。此外，她估計這類新型的人工關(guān)節(jié)“生物替代物”在未來十年之內(nèi)將得到廣泛應用。
與此同時，研究人員們正在通過動物試驗來測試使用這種新方法修復小骨替代品德可行性，他們預計這一研究將還要持續(xù)兩年。
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