骨組織工程學為骨缺損修復提供希望

  在過去的十多年里,，科學家們已經(jīng)開始用組織工程學的手段,，在實驗室里培養(yǎng)制造人體器官(例如耳朵)，而今天科學家們更多地在探索骨骼領域的組織再造,，而且是用打印機直接打出來,。

  自骨外科手術時代開啟一百年以來,，骨缺損就一直是個困擾醫(yī)學界的大難題。迄今為止,，人類使用的自體移植骨,、異體移植骨、異種骨都不能滿足廣泛的,、復雜情況下的治療需要,，且這樣那樣的各種植骨并發(fā)癥令人煩惱。上世紀90年代以來的骨組織工程學(Bone Tissue Engineering,，BTE)則為骨缺損修復提供了長期希望,。

  骨組織工程學(BTE)的基本思路：干細胞+支架材料+構建,。一個完整的BTE是由四個不可或缺的要素構成的：多能分化的干細胞,，能夠在體內(nèi)外發(fā)展為成骨細胞，繼而生成骨細胞;干細胞發(fā)育生長的骨架,、通常是具備生物活性,、模擬人體微孔結構的的無機或有機材料;促進分化、成骨和骨組織成熟的各種細胞因子;新骨發(fā)育和修復過程中所必需的血液循環(huán),。除了具備以上四個因素外,，還有一個最關鍵、也是最難的問題,，是實現(xiàn)以上各個要素的整合,，真正建構出一個組織工程骨來。

借3D打印把骨組織直接打印出來

  骨組織工程學這么好,，在臨床應用方面的進展卻只能用“慢慢吞吞”來形容,。遲緩的原因，最主要就兩個：一是復雜而慢;二是不經(jīng)濟。骨缺損的修復不容許有漫長時間的等待,，如曠日持久的實驗室制備,、合成、培養(yǎng),，這也會讓治療的經(jīng)濟代價高得不切實際,，骨缺損的更需要有個性化的方案。正如到上海兒童醫(yī)學中心求治的“外星人男嬰”,，主刀醫(yī)生鮑南就表示,，每一例狹顱癥的矯形手術都是獨一無二的。

  在1999—2004年這段時間里,，3D打印開始被用于細胞支架材料的打印,，這可是個革命性的進步，骨組織工程學治療所需的生物支架材料可以不受批量生產(chǎn)的限制,，隨時打印隨時取用了,。

  是否可以用3D打印的方式，直接將細胞,、蛋白分子和支架材料一股腦兒地直接打印出一個立體結構來呢?有位俄羅斯科學家Mironov認為,，這是可行的。2009年,，Mironov先生首先用計算機模擬出一個骨缺損部位的立體形態(tài),，然后進行3D的細胞、支架,、成骨因子“一攬子”打印,，再在培養(yǎng)箱里進行短時間的“孵育”，然后就可以把這個完全個性化地,、同時具備人體新生骨骼一切必備要素的3D打印骨,，移植在患者身上。Mironov把這個稱之為“生物復制”,。這個在骨科領域提出的“生物復制”概念,，準確地說，是用當時還很新潮的3D打印技術,，把骨組織直接打印出來,。

  3D打印技術應用于骨組織的直接打印，發(fā)展到今天,，已經(jīng)日漸成熟,。在“外星人男嬰”的治療過程中，主刀醫(yī)生鮑南表示,，以前進行顱骨矯形手術全靠術中解剖后按實際情況憑經(jīng)驗實施,，到底效果如何只能等手術結束,，頭皮縫合完后才能看出來。現(xiàn)在運用3D打印技術,，術前就按1∶1的比例重現(xiàn)了畸形的頭骨,，鮑南醫(yī)師一邊在腦中想象著裁剪方案，一邊在這個立體的,、真實的頭骨模型上畫下了手術切割線,。實物模型不僅為手術方案提供精準指南，還可以通過提前測量父母面部數(shù)據(jù),，為患兒塑形后的面容體現(xiàn)父母特征提供依據(jù),。

骨打印會變得越來越方便越來越快速

  在Mironov的啟發(fā)下，歐洲,、美國的多支研究團隊開發(fā)出了符合上述理念的3D打印骨制造技術,。其中具有代表性的有“光固化成型”(或稱“立體光雕”)技術。方法是,，將細胞,、蛋白質(zhì)分子培養(yǎng)在一個基質(zhì)溶液池子里，然后將激光束或紫外線射入這鍋“細胞湯”,，池子里的基質(zhì)液體是光敏感性的,，受照射后就快速凝固，通過控制光照的方向可以制造出3維形狀的固體出來,。這就好比是在家里自制布丁,，所不同的是，用這種方法做出來的,，是一個布丁液中的特殊形狀布丁,。立體光雕法的好處在于成型快速，但是缺點是每一層固化體之間的細胞流動和溝通不太通暢,。

  還有一種方法叫“生物墨水”技術,，所用到的就如普通打印機那樣的簡易設備，不但廉價,、安全,、而且高度自動化,。用這種方式打印出來的3D骨還具有很好的微孔性能,，便于細胞的移動和增殖。缺點就是無法打那些體型較大的干細胞,，沒辦法,，還是噴嘴的緣故。 

  此外還有Bio-Plotting等簡單易行的注射打印技術,?？梢哉f,，骨打印會變得越來越方便、越來越快速,，在3D打印一次性構建新生骨的同時,，科學家們還通過基質(zhì)(支架)材料不斷優(yōu)化、微孔性能不斷改良的努力,，使得這種3D打印出來的骨組織,，在植入體內(nèi)后，能夠快速吸引新生血管的長入,、鈣磷等礦物質(zhì)的沉淀,、以及血液中各種細胞因子的匯聚，使得3D打印骨在最短的時間里變得堅固,、與人體自身的骨骼融為一體,。

  3D打印的骨組織不僅為臨床上大量的骨缺損患者帶來了經(jīng)濟、高效,、個性化的福音,，還能夠被用于藥物試驗、以及各種少見的骨疾病的研究,，大大地改變我們的世界,。

  未來的3D打印骨，一定是在各項性能上與人體骨骼更加接近,，并且能夠隨時打印,、隨時植入的，其方便程度,，也許技術人員只需像今天的打字員那樣,，輕描淡寫地問醫(yī)生：“您是要噴墨的，還是要激光打印?”