中國粉體網(wǎng)訊  人類的骨質(zhì)流失是一個(gè)普遍的問題。無論是疾病、創(chuàng)傷，還是僅僅是因?yàn)閿?shù)十年的磨損，每年大約有220萬例涉及骨移植的骨科手術(shù)。

自體移植（從患者自身身體取出的組織）由于其卓越的愈合能力和較低的并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，在許多手術(shù)中通常比合成移植更受青睞。然而，在某些特定情況下（下文將詳細(xì)描述），合成移植是更優(yōu)先的選擇。

迄今為止，合成骨替代物主要用于較小且較簡單的移植需求。天然骨骼復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)使其既堅(jiān)固又有彈性。到目前為止，用合成骨實(shí)現(xiàn)這種特性組合一直很困難，但澳大利亞悉尼大學(xué)的研究人員最近取得的突破為制造替代骨骼的使命樹立了一個(gè)新的里程碑。

天然骨移植的局限性。首先，獲取供體骨需要第二個(gè)手術(shù)部位，這使得感染的風(fēng)險(xiǎn)加倍。而且，從某些部位只能獲取有限的供體骨，限制了通過這種方式治療的損傷程度。此外，也可以從另一個(gè)供體獲取額外的骨頭，但這帶來了排斥反應(yīng)的可能性。正因如此，在某些情況下更傾向于使用合成骨替代品。但合成骨也并非沒有自身的挑戰(zhàn)。

人體骨組織中的納米級結(jié)構(gòu)是其機(jī)械強(qiáng)度和耐用性的關(guān)鍵。天然骨由膠原的有機(jī)相和羥基磷灰石納米晶體的無機(jī)相組成。這兩個(gè)相交織在一起，膠原蛋白提供結(jié)構(gòu)和彈性，而羥基磷灰石納米晶體提供強(qiáng)度。

骨替代品的生產(chǎn)方式多種多樣，從靜電紡絲到3D打印。在各種骨替代材料中，磷酸鈣由于其生物相容性和與羥基磷灰石的相似性而被廣泛使用。然而，它們的機(jī)械強(qiáng)度低，并且通常不擅長促進(jìn)骨誘導(dǎo)，即誘導(dǎo)干細(xì)胞移入并產(chǎn)生新的骨組織。

天然骨具有復(fù)雜的納米級結(jié)構(gòu)，這在合成骨替代品中難以實(shí)現(xiàn)。因此，磷酸鈣通常不能促進(jìn)骨誘導(dǎo)。但對多孔磷酸鈣移植物的研究表明，微米級和亞微米級孔隙對材料的骨誘導(dǎo)能力有顯著影響。

目前磷酸鈣制備方法不能系統(tǒng)地、可重復(fù)地將這些微結(jié)構(gòu)特征結(jié)合到材料中。因此，悉尼大學(xué)的研究人員在他們的研究報(bào)告中寫道，“關(guān)于微孔或亞微米級特征的具體結(jié)構(gòu)，目前沒有量化或可靠的共識可以誘導(dǎo)骨誘導(dǎo)。”而他們的新加工方法克服了這一障礙。

在悉尼大學(xué)，由生物醫(yī)學(xué)工程教授兼創(chuàng)新生物工程培訓(xùn)中心主任Hala Zreiqat領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種3D打印方法，用于制造納米結(jié)構(gòu)的磷酸鈣。

3D打印合成骨模仿自然骨中的主要部分——骨小梁的特寫

他們將平均尺寸為5納米的磷酸鈣骨前成核簇以高達(dá)80%的重量比融入一種可打印的透明樹脂中。然后，利用雙光子聚合技術(shù)以300納米的分辨率進(jìn)行3D打印，實(shí)現(xiàn)了前所未有的細(xì)節(jié)。

為了最大限度地減少燒結(jié)過程中的收縮，研究人員嘗試將結(jié)構(gòu)浸入模擬體液中，以誘導(dǎo)磷灰石的形成。在模擬體液中形成的納米晶體磷灰石預(yù)先填充了結(jié)構(gòu)孔隙，并在燒結(jié)前增加了材料體積，從而起到了致密化助劑的作用。

研究人員在論文中總結(jié)道，使用這種制造方法將允許對磷酸鈣中潛在的骨誘導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)的研究。最終，“這些進(jìn)展有望產(chǎn)生可重復(fù)的、具有成骨誘導(dǎo)能力的磷酸鈣，能夠可靠地連接臨界尺寸的骨缺損；而這一成就目前還無法通過現(xiàn)有的磷酸鈣陶瓷實(shí)現(xiàn)”，他們寫道。

除了能夠誘導(dǎo)骨形成之外，磷酸鈣可靠的納米級制造預(yù)計(jì)將增加其機(jī)械強(qiáng)度。因此，這項(xiàng)新技術(shù)也可以解決磷酸鈣的脆性問題，使其可以用作較大骨段的移植體。

The paper, published in Advanced Materials, is “Bioinspired nanoscale 3D printing of calcium phosphates using bone prenucleation clusters” (10.1002/adma.202413626).

參考來源：

美國陶瓷學(xué)會官網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）

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