中國粉體網(wǎng)訊  人類的骨質(zhì)流失是一個普遍的問題。無論是疾病、創(chuàng)傷，還是僅僅是因為數(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)癥風險，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。天然骨骼復雜的納米結(jié)構(gòu)使其既堅固又有彈性。到目前為止，用合成骨實現(xiàn)這種特性組合一直很困難，但澳大利亞悉尼大學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手術(shù)部位，這使得感染的風險加倍。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)是其機械強度和耐用性的關(guān)鍵。天然骨由膠原的有機相和羥基磷灰石納米晶體的無機相組成。這兩個相交織在一起，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，它們的機械強度低，并且通常不擅長促進骨誘導，即誘導干細胞移入并產(chǎn)生新的骨組織。

天然骨具有復雜的納米級結(jié)構(gòu)，這在合成骨替代品中難以實現(xiàn)。因此，磷酸鈣通常不能促進骨誘導。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、可重復地將這些微結(jié)構(gòu)特征結(jié)合到材料中。因此，悉尼大學的研究人員在他們的研究報告中寫道，“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骨誘導。”而他們的新加工方法克服了這一障礙。

在悉尼大學，由生物醫(yī)學工程教授兼創(chuàng)新生物工程培訓中心主任Hala Zreiqat領(lǐng)導的研究人員開發(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納米的分辨率進行3D打印，實現(xiàn)了前所未有的細節(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機制進行系統(tǒng)的研究。最終，“這些進展有望產(chǎn)生可重復的、具有成骨誘導能力的磷酸鈣，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)有的磷酸鈣陶瓷實現(xiàn)”，他們寫道。

除了能夠誘導骨形成之外，磷酸鈣可靠的納米級制造預(yù)計將增加其機械強度。因此，這項新技術(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：

美國陶瓷學會官網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）

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