近日，來(lái)自北卡羅來(lái)納州杜克大學(xué)的一組研究人員正在開(kāi)發(fā)一種新穎的生物3D打印材料，可以用于為患者創(chuàng)建特異性軟骨植入物。創(chuàng)新的軟骨模擬材料由水凝膠混合物制成，可用于3D打印半月板植入物修復(fù)受損的膝蓋。
對(duì)于遭受膝傷的任何人來(lái)說(shuō)，都需要在其生活中佩戴膝蓋支架，杜克大學(xué)的消息將會(huì)非常激動(dòng)人心。最近在ACS生物材料科學(xué)與工程雜志發(fā)表的一篇文章中，杜克大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)描述了其開(kāi)發(fā)基于水凝膠的材料的過(guò)程，該材料可以3D打印到定制的軟骨模擬結(jié)構(gòu)中。
雖然該項(xiàng)目還處于初期階段，但研究人員確實(shí)證明了如何將300美元的低成本3D打印機(jī)用于將生物相容性材料3D打印為半月板狀結(jié)構(gòu)，然后將其植入膝蓋塑料模型。
杜克大學(xué)化學(xué)副教授Benjamin Wiley解釋說(shuō)：“現(xiàn)在我們已經(jīng)非常容易地在一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)的過(guò)程中打印出與軟骨機(jī)械性能相當(dāng)接近的物體。”
對(duì)于那些不熟悉人類膝蓋解剖結(jié)構(gòu)的人來(lái)說(shuō)，Menisci是一對(duì)基于軟骨的“減震器”，位于大腿和脛骨之間。當(dāng)我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們基本上負(fù)責(zé)緩沖和保護(hù)我們的骨骼。但是，當(dāng)我們的半月板保護(hù)我們的膝蓋時(shí)，它們不會(huì)破壞自身，因?yàn)榧词馆p微的膝蓋損傷也可能損傷軟骨，導(dǎo)致疼痛，并可能引起關(guān)節(jié)炎等病癥。
目前，用于修復(fù)或更換損傷的半月板的治療方法是有限的，但是現(xiàn)有的植入物不如原始軟骨那樣強(qiáng)壯或者不完全生物相容。杜克大學(xué)正在進(jìn)行的這項(xiàng)研究希望能夠提供一種適合替代現(xiàn)有治療方法，即提供生物相容性和強(qiáng)度的治療方法。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，水凝膠的益處越來(lái)越明顯，因?yàn)樯锵嗳菪圆牧暇哂信c軟骨相似的分子結(jié)構(gòu)。然而，這些材料仍然存在一些挑戰(zhàn)。“目前可用的凝膠真的不如人體組織那么強(qiáng)，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)它們從打印機(jī)噴嘴擠出時(shí)，它們不會(huì)停留在一起，因?yàn)樗鼈冎饕撬运鼈儠?huì)遍布整個(gè)地方，”Wiley說(shuō)。
杜克研究項(xiàng)目正在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，并發(fā)現(xiàn)了一種創(chuàng)新的方法來(lái)克服這些挑戰(zhàn)，至少在3D打印方面。該團(tuán)隊(duì)的研究人員Feichen Yang一直在嘗試將兩種不同類型的水凝膠混合在一起：一個(gè)堅(jiān)硬而強(qiáng)壯，另一個(gè)柔軟而有彈性。
通過(guò)使用“雙網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)組合兩個(gè)水凝膠，該團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建一個(gè)可以調(diào)整以具有特定屬性的材料。然后，通過(guò)向混合物中加入納米顆粒粘土，能夠使水凝膠混合物支持3D可打印。正如研究人員解釋的那樣，粘土使水凝膠混合物在剪切應(yīng)力(如擠出)時(shí)變成液體，然后在應(yīng)力消失時(shí)固化。
通過(guò)他們的研究，研究人員希望，將來(lái)有一天，使用軟骨模擬材料可以為待植入患者3D打印定制的形狀。對(duì)于半月板處理，打印定制形狀可以提供很大的好處。如Wiley所言：“形狀對(duì)于半月板來(lái)說(shuō)非常重要。在很大的壓力下，如果它不完全符合你的話，那可能會(huì)滑落，或者讓人虛弱或痛苦。”
此外，能夠調(diào)節(jié)水凝膠的性質(zhì)，使其變化(即，一端較軟，中間更強(qiáng))可以允許植入物更加模仿真正的半月板，這是在使用更傳統(tǒng)的成型技術(shù)時(shí)不可能出現(xiàn)的壯舉。
盡管技術(shù)處于初期階段，但杜克大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用塑料膝蓋模型展示了其可行性。更具體地說(shuō)，團(tuán)隊(duì)3D掃描塑料膝蓋模型并創(chuàng)建了半月板的3D模型，然后使用雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠3D打印。據(jù)報(bào)道，整個(gè)過(guò)程只花了一天時(shí)間，這標(biāo)志著一個(gè)新的希望的開(kāi)始。
“這真的是一個(gè)剛剛發(fā)展的、有希望的領(lǐng)域，”Wiley評(píng)論道。“我希望這一研究結(jié)果可以輕松實(shí)現(xiàn)，這將有助于讓許多其他人感興趣，制造出更加逼真的半月板組織，使其機(jī)械性能更接近人體組織。”