骨缺損是一種由創(chuàng)傷、感染、骨質(zhì)疏松等多種原因引起的疾病。嚴(yán)重的骨缺損有可能導(dǎo)致患者肢體功能障礙，甚至出現(xiàn)骨不連等情況，影響患者生活質(zhì)量。
近日，記者從山東第一醫(yī)科大學(xué)了解到，該校副教授劉冰、教授李偉，與山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院副主任醫(yī)師滿振濤合作開發(fā)了一種新型3D打印陶瓷支架。這種支架具備優(yōu)異的活性氧清除能力、近紅外響應(yīng)能力與力學(xué)性能，可以有效增強(qiáng)骨骼的愈合能力，為骨缺損治療提供了新方案。相關(guān)研究論文刊登在國(guó)際期刊《科學(xué)》上。
促進(jìn)骨生成
骨移植是骨缺損的傳統(tǒng)治療方法，全世界每年進(jìn)行超過200萬例骨移植手術(shù)，移植所用的天然骨組織主要來源于自體骨、同種異體骨和異種骨。自體骨供應(yīng)量有限，難以滿足大塊骨缺損的修復(fù)需求。同種異體骨和異種骨移植則存在免疫排斥等風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致移植的骨組織無法存活，甚至引發(fā)炎癥和感染。
正因如此，人造骨修復(fù)支架對(duì)于骨移植手術(shù)具有關(guān)鍵作用。開發(fā)具有良好骨修復(fù)功能的新型材料，實(shí)現(xiàn)骨結(jié)構(gòu)重建乃至骨功能恢復(fù)，具有重要的科學(xué)價(jià)值和臨床意義。
人造骨修復(fù)支架可用于支持、修復(fù)或替換受損骨骼，其生物相容性、機(jī)械性能、可塑性、骨誘導(dǎo)性和力學(xué)穩(wěn)定性是影響骨組織愈合的關(guān)鍵因素。
理想的人造骨修復(fù)支架材料應(yīng)具備可降解性，同時(shí)要確保支架的孔隙率精確可控，孔道結(jié)構(gòu)連貫暢通，外形與骨缺損區(qū)域相匹配，力學(xué)性能與自然骨接近，材料降解速率與新生骨組織形成速度相協(xié)調(diào)等。
劉冰告訴記者，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的用于臨界骨缺損修復(fù)的新型3D打印陶瓷支架，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)骨缺損區(qū)域免疫微環(huán)境的動(dòng)態(tài)精確管理。所謂“臨界骨缺損”是一種較為嚴(yán)重的骨組織損傷，指的是骨折無法自然愈合，或僅能再生極少量骨組織的情況。
這種新型支架不只是骨骼“備件”，還可以介入骨骼修復(fù)，促進(jìn)骨免疫調(diào)節(jié)，持續(xù)釋放有益離子，加速新骨生成。同時(shí)，支架能夠隨著新骨生長(zhǎng)而逐漸降解，有效解決傳統(tǒng)支架“新骨未長(zhǎng)成，支架已降解”的問題。
有效抗炎癥
骨組織修復(fù)過程往往伴隨炎癥反應(yīng)。炎癥反應(yīng)未得到有效控制時(shí)，可能導(dǎo)致骨組織發(fā)生病理性纖維化，破壞正常的骨組織結(jié)構(gòu)。此外，炎癥反應(yīng)的類型、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度也會(huì)影響骨組織的修復(fù)效果。
劉冰表示，傳統(tǒng)的人造骨修復(fù)材料通常難以調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，并且這些材料作為異物植入人體后，會(huì)觸發(fā)周圍細(xì)胞的免疫反應(yīng)，釋放促炎信號(hào)，從而阻礙修復(fù)型抗炎介質(zhì)參與成骨反應(yīng)，這將抑制或延緩骨組織修復(fù)。
劉冰說，研究團(tuán)隊(duì)利用鋅離子、鍶離子這兩種生物活性離子，對(duì)β-磷酸三鈣基材料進(jìn)行了部分鈣離子的原位置換，成功改善了材料的晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了粉體制備條件和3D打印工藝。新支架的抗壓強(qiáng)度較傳統(tǒng)材料提升了近3倍，實(shí)現(xiàn)了高孔隙率和優(yōu)異力學(xué)性能的良好結(jié)合。
在植入人體后，這種材料可以與骨直接融合，不會(huì)產(chǎn)生局部炎癥反應(yīng)和副作用。此外，鋅離子具有抗炎抗菌作用，鍶離子則可以促進(jìn)成骨細(xì)胞活性。劉冰進(jìn)一步解釋，在支架逐漸降解的過程中，這兩種離子的長(zhǎng)期釋放有利于維持骨再生后期的抗炎調(diào)節(jié)，并刺激成骨細(xì)胞生成。
消除活性氧
活性氧是生物體內(nèi)正常代謝過程中產(chǎn)生的含氧自由基，適量的活性氧對(duì)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、免疫反應(yīng)等有益。但在促炎介質(zhì)作用下，活性氧往往會(huì)過量產(chǎn)生，這可能導(dǎo)致氧化應(yīng)激，損傷蛋白質(zhì)、DNA、脂質(zhì)和脂質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能，從而阻礙骨修復(fù)和再生。
對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地將超薄二維材料MXene-Ti3C2組裝于新型3D打印陶瓷支架表面，讓該支架擁有近紅外光響應(yīng)特性和清除多余活性氧的能力，從而更好地維持生物體內(nèi)的環(huán)境平衡，并使其得以在短時(shí)間內(nèi)促進(jìn)骨修復(fù)和再生。
在植入3D打印陶瓷支架后，對(duì)患處進(jìn)行近紅外照射，可引起支架的近紅外光響應(yīng)，在支架周圍產(chǎn)生局部輕度高溫，這相當(dāng)于在患處進(jìn)行了輕度光熱治療。適度高溫可以促進(jìn)人體早期防御機(jī)制激活，增強(qiáng)機(jī)體活性氧清除能力。這將為骨組織再生創(chuàng)造適宜的骨免疫微環(huán)境。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在治療大鼠顱骨缺損時(shí)，新型3D打印陶瓷支架的成骨效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)支架。不過，劉冰也表示，針對(duì)承重區(qū)域臨界骨缺損修復(fù)的臨床需求，如何在確保陶瓷基支架可3D打印的同時(shí)，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，仍是這類陶瓷材料邁向臨床應(yīng)用需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)難題。
未來，人造骨修復(fù)支架將繼續(xù)朝著生物活性更高、可降解性更好、材料和功能更加豐富的方向發(fā)展。此外，納米技術(shù)、3D打印技術(shù)、人工智能技術(shù)等將進(jìn)一步豐富人造骨修復(fù)支架的個(gè)性化治療方案，提升支架的性能和療效。
