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科學家開發出與人骨成分相似的3D打印材料

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-11-26瀏覽次數:630

大約20年前,Bob Pilliar教授開始尋找合成骨的替代材料。有一段時間,塑料,金屬和陶瓷曾被認為是可用于關節置換的最新和最好的材料,但它們具有緩解疼痛和患者活動性的前提,即這些材料不耐用。 Pilliar被稱為加拿大陶瓷材料之父。

今天,通過與其他兩位研究人員合作,多倫多大學牙科學院和生物材料與生物醫學工程學院的名譽教授Pilliar發現了可用于制造未來植入物的天然成分。要更換人工膝關節和髖關節,他的部位必須是可生物降解的,耐用的,并根據患者的特征量身定制。

最后,研究人員發現了磷酸鈣形式的有效配方。粉末由與人體骨骼相同的礦物成分組成,它來自美國種子巨頭孟山都公司放棄的可降解生物材料。經過一些研究,Pilliar和他的同事認為他們找到了合適的化合物來制造骨替代材料,之后他們所需要的只是找到合適的制造方法。

為此,一位年輕的機電一體化工程師Mihaela Vlasea接管了這項任務。她是增材制造領域的大師。根據這種材料的特點和要求,她開發了一種定制的3D打印機。據天宮介紹,這種設備和雙門冰箱一樣大,它使用紫外線將磷酸鈣粉末粘合在一起。使用這臺機器,Vlasea在種植體內制造管道和空腔,具有尖端尺寸的精度。

坦率地說,這種3D打印的骨植入物就像一個蟻丘,其內部充滿了用于輸送營養物的管道網絡,并且該網絡的出口是植入物表面中的小孔。一旦植入,人骨細胞就會擴散并與骨結構機械地互鎖。

“我們在部件內部排列毛孔的方式基本上允許自然骨在植入物內以不同的速率生長,”她說,并補充說該方法也可以應用于燃料電池和牙科植入物的設計。

隨著時間的推移,多磷酸鈣被人體吸收,患者的組織和細胞長成人造植入物的形狀。 “我們希望用它代替人工關節,并要求所有的金屬材料。但在短期內,我們只能嘗試更換小骨頭,”Pilliar教授說。 “如果我們成功了,可以進一步嘗試創造更大的關節。

此外,Pilliar教授還在開發人類軟骨的替代品,如果成功的話,這對許多關節炎患者來說是一個福音。

與我們的常識不同,關節炎患者實際上并不局限于城市中的老年人。該疾病主要由外傷,關節變形或運動損傷引起。目前,由于軟骨細胞不能再生,因此對其的治療非常有限。

“現在,如果關節受損,就沒有可以刺激它的真正治療方法。”西奈山醫院病理學和實驗室醫學主任麗塔康德爾說:“最后,你只能依靠金屬和塑料材料。”替代“。

作為這個骨干項目的三個主要研究者之一,Kandel與多倫多大學的Pilliar教授和研究員Marc Grynpas合作了二十多年。

據她介紹,今天的均勻大小的植入物的使用壽命為20至30年,之后需要手術來更換新的植入物。 Kandel希望通過使用患者自身組織和細胞產生的“生物關節置換”來解決這個問題。

為此,Kandel試圖從患者的骨髓中提取干細胞,然后在實驗室中對其進行重新編碼,以生長為未成熟的軟骨細胞。幾周后細胞就會成熟,研究人員將它們堆放在滑鐵盧大學的3D打印磷酸鈣植入物上并使其生長。根據天宮的說法,一旦植入物通過手術植入體內,它就能自然地發揮作用甚至自愈。

Kandel稱之為“生物表面重修”,這進一步降低了植入物植入人體后發生排斥反應的可能性。 “如果您使用患者自己的細胞,異物就不會被認為是外來的。”她說并補充說,這種新療法可以從根本上預防關節炎的發展。

盡管這種定制植入物的可能價格仍然未知,但由于原材料價格低廉,Kandel預計該產品在商業化后會更便宜。此外,她估計這種新型人工關節“生物替代”將在未來十年內得到廣泛應用。

與此同時,研究人員正在測試使用這種新方法通過動物試驗修復小骨替代物的可行性,他們預計這種方法將持續兩年。

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