人造骨骼在学术界似乎已经是一个定论的问题；人们觉得没有什么可以发明的了。但随后，西北大学的材料科学家开始与外科医生交谈。在100次采访中，他们意识到，外科医生远未对现有选择感到满意，他们想要更多。外科医生抱怨说，骨移植材料太脆了。它无法被挤入狭小的空间以进行微创手术，而且它与现有组织的融合效果不佳，有时会造成生长和愈合问题。
因此，在助理教授拉米尔·沙阿和她的博士后研究员亚当·雅库斯的领导下，研究人员开发了一种可以利用3D打印墨水生产的合成“超弹性”骨组织。在对啮齿动物和恒河猴进行的几项实验中，这种材料似乎能够与新的天然骨融合。他们在周三发表于《科学转化医学》杂志上的结果中表示，它足够坚固，可以用于股骨，而且足够灵活，可以通过小切口挤压。
这种合成骨骼距离人体试验还需要数年时间。但如果它继续表现良好，则可以考虑用于脊柱融合、骨折、前交叉韧带 (ACR) 或肩袖损伤或颅面手术，沙阿在介绍这项工作的新闻发布会上说。希望这种材料也能被证明可以随着患者一起生长，这意味着它可以用于儿童和成人。
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这段汇编视频显示了超弹性人造骨骼被3D打印成各种形状。稍后，视频展示了这种合成骨骼如何在微创手术期间通过微小的开口挤压。图片来源：亚当·E·雅库斯，博士
该团队的见解来自于将生物工程中使用的材料与工业界的生产方法相结合的想法，雅库斯说，他的学术背景是冶金和爆炸材料。他说，他受到了从砖块到马桶的各种商品的挤压制造工艺的启发。他将该技术过程的要素与医学中常用的材料相结合，包括羟基磷灰石，一种常见的骨骼中存在的钙形式。该团队的打印机将由羟基磷灰石和可生物降解的聚酯制成的化合物一层一层地挤压出来，该聚酯将墨水的各层粘合在一起。
研究人员可以使用3D打印机打印他们的超弹性骨骼——因此不需要加热材料，否则会使其变脆并杀死添加的防止感染的抗生素。墨水可以保存长达一年，而且该过程快速且可以在大规模上实施；雅库斯说，身体部位可以在几分钟到几小时内打印出来。他和沙阿希望这将使制造成本足够低廉，有朝一日可以在医院和世界贫困地区实现。
耶鲁大学麻醉学副主席劳拉·尼克拉森没有参与这项工作，她说她对他们的结果印象深刻。“据我所见，这是一种非常出色的材料，因为它既坚固又柔韧，”她说。尼克拉森特别指出该团队在猴子身上进行的实验，该猴子的头骨稀疏区域接受了超弹性骨的移植。由于不确定手术前损伤的大小，研究人员打印了一块过大的骨骼，然后外科医生将其切下来以适应。研究表明，在一个月内，它已经融入了猴子现有的头骨中。“你在灵长类动物身上看到的结果往往能很好地转化为你在人类身上看到的结果，”她说，并补充说这项工作“需要更多的验证，但我会说这是令人兴奋和鼓舞的。”尼克拉森说，下一个挑战——她自己的研究重点是心脏和肺——将是找到一种方法来打印功能性的、承重的结缔组织，如心肌、肌腱和韧带。
雅库斯说，当团队首次打印出合成材料时，他们对其机械性能、易打印性和融入活骨的能力感到震惊。“生物效应非常惊人，”他说。在实验室里，研究人员将超弹性骨骼与能够转化为其他细胞类型的人类干细胞一起培养。雅库斯说，他们惊讶地发现，在一周之内，干细胞就变成了骨细胞，并开始制造自己的矿物质。
在另一项测试该材料前景的实验中，该团队在不到三个小时的时间内打印出了人类下颌骨。在另一项实验中，他们报告说，当将合成材料注射到小鼠皮肤下时，它迅速与小鼠组织融合，没有免疫排斥的迹象。据报道，人造骨骼还能够融合两个椎骨并替代大鼠股骨的一部分，表明它可以在人体中承受相当于 150 磅的重量。研究报告称，在超弹性骨中添加生长因子可以促进健康生长。雅库斯说，该物质由已经获得 FDA 批准并经过广泛测试的材料制成。
研究人员说，材料固有的微小孔洞允许血管和其他细胞融入人造骨骼，将其转化为活的、生长的组织。虽然他们尚未确切证明超弹性骨骼是如何自我融合的，但雅库斯说他认为它的作用是因为骨骼与真实的骨骼相似但不完全相同——这可能使其更有效。“在某种程度上，它模仿了天然骨骼，但还不够接近，”他说。“细胞可能会认为这是不完整的骨骼，因此会促使它们将其重塑为天然骨骼。”
此 GIF 显示了打印的合成骨骼如何承受足够的压力，以便在需要强度的身体部位（如腿骨）中使用。图片来源：Rahkendra Ice / A. Jakus et al. / 科学转化医学
佐治亚理工学院材料科学与工程学院教授兼院长纳雷什·塔达尼没有参与这项研究，但他表示，他很高兴看到雅库斯的想法自这位年轻人在他的实验室里担任博士生以来取得的进展。“他们已经走了很长的路，”他说。塔达尼补充说，这种材料很有前途，但他对沙阿和雅库斯正在追求的更广泛的创新也很感兴趣：为不同的生物医学和工业用途开发不同的墨水。
该团队希望其可打印墨水的概念将具有从能源到电子产品以及生物工程的应用。沙阿说，他们拥有不同物质类型的完整产品组合，包括金属和碳基材料。雅库斯说，就其本身而言，超弹性骨骼“是一种了不起的材料，对于临床骨科手术用途来说非常棒。但它[也是]一个更大的系统的一部分，该系统将3D打印提升到超越新颖性的地位。”