如果您非常仔细地观察哥伦比亚大学医疗中心3D打印机上正在形成的C形弯曲物，您可能会看到膝盖修复的未来。机器的微小针头逐层喷射出一滴白色聚合物，与半月板的虚拟蓝图相匹配——半月板是坚韧的纤维软骨的半圆形带，作为膝盖的减震器。Jeremy Mao实验室的生物打印机可以在不到16分钟的时间内生产出三个半月板。
这些特殊的部件注定要用于绵羊，绵羊是纠正半月板撕裂（最常见的人类关节损伤之一）的新方法的测试动物。外科医生将用人造部件替代绵羊自身受损的半月板，作为愈合的支架。一旦装置就位，嵌入其中的特殊蛋白质将吸引干细胞，随着聚合物分解，干细胞将重建半月板。2014年12月发表的一项研究发现，使用这种方法仅需四到六周即可恢复绵羊的半月板。如果成功地为人类开发，这种新方法将远远优于医生今天可以提供的治疗方法，在大多数情况下，如果撕裂的组织引起疼痛或扰乱膝盖功能，医生只会简单地将其切除。“我们追求的是真正的关节再生，”Mao解释说。
绵羊实验是整形外科更广泛趋势的一部分，旨在寻找方法诱导身体以比当前手术干预更有效和更持久的方式治愈关节。尽管现代整形外科在帮助人们重新站立方面做得很好，并且在职业运动员的情况下，能够让他们在崇高的水平上表现，但它并不能将受伤的膝盖恢复到原来的状态，并且通常无法阻止——甚至加剧——关节的长期恶化。
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由于原因尚不完全清楚，膝关节关键稳定结构的损伤通常会引发退行性过程，导致骨关节炎的软骨磨损和慢性疼痛。下一代治疗的目标是以尽可能自然的方式使膝盖恢复其全部功能，这也可能减缓或阻止导致关节炎的失控循环。“这是修复和再生，而不是切除和置换，”波士顿儿童医院运动医学研究实验室主任、整形外科医生Martha M. Murray说。
需求巨大。在美国，每年估计有550万人因膝盖问题去看整形外科医生。大约一百万人接受门诊膝关节手术，这个数字还不包括每年另有70万人因单侧或双侧膝盖已到尽头而最终接受人工关节置换。
为什么这些关节不能自行愈合？
关于关节修复的新思维方式，大部分都植根于对关节中结缔组织（肌腱、韧带和软骨）为何不一定像其他组织那样愈合这个令人困惑的问题的研究。在许多这些结构中，一个主要问题是血液供应相对较差；血液中含有对愈合至关重要的细胞和蛋白质。
肌腱是连接肌肉和骨骼的柔韧纤维组织绳索，韧带是连接骨骼和骨骼的略有弹性的带状组织，与大多数其他组织相比，它们从血管中获得的营养较少。至于软骨——例如骨骼末端超光滑的白色物质（想想鸡腿），它有助于关节滑动——其中大部分没有血液供应。“因此，软骨几乎没有愈合能力，”纽约市特种外科医院运动医学和肩关节服务中心的整形外科医生和研究员，以及纽约巨人队的队医Scott Rodeo说。
尽管外科医生有时可以缝合撕裂的半月板——特别是如果撕裂发生在外部区域，该区域有自己的血管供应——但在大多数情况下，他们只能切除磨损的碎片——2013年的一项主要研究发现，这种手术的长期价值值得怀疑。外科医生也无法缝合前交叉韧带（ACL）的撕裂，ACL位于膝盖中部，是许多运动损伤的部位。相反，他们会切除撕裂的韧带，并用尸体或患者自身身体的移植物来替换它。
除了血液供应不足外，ACL在关节囊中的中心位置（关节囊充满了称为滑液的润滑剂）是韧带无法自行愈合的另一个原因。伤口修复通常始于出血和血凝块的形成。凝块中称为血小板的细胞会释放某些促进愈合的蛋白质，而粘性凝块本身则充当新细胞重建的临时支架。然而，在关节中，滑液会溶解凝块，“因此永远不会有早期的桥梁让愈合发生，”波士顿儿童医院的Murray说。这就是为什么ACL撕裂不会愈合，而附近的内侧副韧带（沿着膝盖侧面延伸，超出滑液范围）的撕裂会慢慢地自行愈合。
自我修复的秘密
长期以来，整形外科医生一直在尝试诱导身体更好地修复软骨、韧带和肌腱。近年来，他们转向所谓的“生物制剂”——由患者自身的血液和其他组织制成的物质。最受欢迎的生物制剂之一称为富血小板血浆（PRP），它最初被口腔外科医生用于帮助颌骨中骨骼和软组织的再生。
PRP的生产和部署都很简单：从患者身上抽取一些血液，在离心机中旋转以浓缩血小板，然后将所得液体注射到受伤的关节中，或与手术结合使用。PRP富含生长因子和其他促进愈合的物质。到目前为止的研究表明，它可以帮助治愈发炎的肌腱，例如“网球肘”，并缓解关节炎关节的疼痛，但它是否可以有效解决其使用的各种问题尚不清楚。
一种较新的生物制剂由骨髓而非血液制成，并且比PRP含有更丰富的干细胞。它也取自患者（通过髋部的细针，在局部麻醉下），并使用离心机浓缩。骨髓抽吸物浓缩物（BMAC）可以变成致密的凝块，作为血红色的填料，外科医生用它来填充软骨中的间隙，并包围和滋养移植组织。康奈尔大学的兽医Lisa Fortier开发了这种物质，以帮助赛马在软骨损伤后重回赛道。它提供了她所谓的“组织修复三部曲”：充当短期支架的厚凝块、生成新组织的干细胞以及指导再生的生长因子。在人类和马身上的研究表明，用BMAC修复的软骨比用其他方式修复的软骨具有更正常的结构。
由于PRP和BMAC来自患者并直接返回患者体内，因此它们无需获得食品和药物管理局的批准，并且它们的用途在没有大量测试的情况下迅速传播。“它们很难研究，”Rodeo指出，因为它们因人而异，导致结果不均。他预测，随着进一步的研究，“我们可能会转向更精细的方法——我们将确定骨髓抽吸物和PRP中我们想要保留的因素以及我们想要去除的因素”，并进行相应的修改。
尽管生物制剂似乎可以促进愈合，但它们无法生成足够坚固的支架来修复撕裂的半月板或ACL。这就是研究人员正在尝试3D打印和其他创新的原因。在波士顿儿童医院，Murray正在测试一种小圆柱形海绵状材料——由结缔组织中发现的胶原蛋白等蛋白质制成——作为修复撕裂的ACL的支架。海绵浸泡在患者的血液中，然后缝合在韧带的两个撕裂端之间，为愈合创建一个临时桥梁，很像血凝块的作用。它在猪身上效果非常好，Murray和她的同事已获得FDA批准，今年将在人体上试用。在猪身上一项特别有希望的发现是：接受新技术治疗的猪比接受传统ACL重建术的猪患关节炎的可能性要小得多。
尽管这些和其他正在兴起的再生技术前景广阔，但当然，尽可能保护您的膝盖以尽量避免手术始终是一个好主意。但对于那些不幸到损伤这个复杂关节的人来说，未来看起来将更加坚固，痛苦也将大大减轻。