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华东理工大学的刘昌胜教授尝试打印出可植入人体骨头

发布时间:2021-01-05 11:46:34 阅读: 来源:热风枪厂家

华东理工大学的刘昌胜教授尝试打印出可植入人体骨头

华东理工大学的刘昌胜教授正尝试让3D打印机打印出可以植入人体的大段骨头,以帮助重伤病人站起来。打印骨头是刘昌胜近20年人工骨研究的一个新拓展,迄今为止,他牵头开发的生物材料已与超过20万名病人的骨头融为一体。   “堆叠”出硬骨头   在刘昌胜的办公室,记者见到了打印的人工骨。确切地说,现在它还只是一个很原始、很早期的雏形,是一片比硬币还薄、大半张邮票大小的长方形切片。   刘昌胜的助手说,他们还有其他的打印样品,但因为在做理化性能测试,所以没法拿给记者看。   面前的这张骨片呈纯白色,质感像是刷墙的石灰。凑近看,骨片的立体结构如同缩微的棕绷床——“外框”稍厚,当中是纵横的经纬线,虽然织得疏松,但用指尖按一按,整个薄片似乎颇能承重。   3D打印的原理就像一点点堆土——通过墨粉的层层堆积,二维的平面图形就能被堆叠出立体结构。同样,通过打印,如果能将足够多的人工骨片“垒”起来,就有望形成一根骨头。   记者眼前的这块薄片,出自一台常规的3D打印机,但与制造塑料小兵、手机壳等的3D打印机相比,“骨打印”的含金量更多是在“墨粉”上。它必须快速凝结、固化,且有足够强度,因为手术后,人工骨需要维持在植入部位不能变形。但它又不能像快干胶那样稠厚,以免堵住打印喷头。   更关键的是,通常3D打印机打印的塑料、金属等,都不具备足够的生物相容性。而人工骨在植入身体后,不能刺激细胞,不能致病、致畸、致癌,甚至要与人体完全融合。   刘昌胜说,这是人工骨的难点与优势:与骨断面结合后,新生的骨细胞、血管等就可以慢慢渗入植入部分,并与之牢牢结合;久而久之,植入部分还会慢慢降解、被组织吸收,引导新骨形成,此时,“真骨假骨”将合在一起,达到最佳的力学和生理功能。   从“揉面团”起步   在制造人工骨“墨粉”方面,刘昌胜有多年的积累。他率队研发的第一代的人工骨,就是一种粉末材质。   刘昌胜说,在手术台上,医生打开包装,将人工骨粉末与适量水混合、搅拌,就能得到一个特殊的“面团”。随后,面团被填入病人的骨损伤部位;因为具有可塑性,再复杂的骨断面,“面团”都能与之吻合。   这个过程多少有些像用水泥补墙。事实上,刘昌胜本人就把他的发明称为“骨水泥”。但医生这位特殊的“泥水匠”的手法必须足够快,因为在几分钟内,“面团”就会固化,变得坚硬起来。   人工骨粉末是多种磷酸钙的混合物。这些物质该如何配比,是骨水泥研究的要害之一。刘昌胜说,配比稍有变化,它们遇水后发生的化学反应就有可能变化,甚至产生不利的副产物。此外,骨水泥的粉末原料制备也很有讲究。围绕这一系列技术,刘昌胜团队申请了十几项发明专利。   在被大量动物试验和临床试验验证安全性和有效性之后,1998年,刘昌胜牵头联合上海中山医院研究成功的人工骨产品,被国家药监部门批准放行,这是我国第一张为无机骨水泥颁发产品注册证。2003年,这项研究得到了国家科技进步二等奖。   刘昌胜说,骨水泥推广的过程,让他无数次体会到身为研究者的价值。那不仅仅是一次次手术,而是让一条条伤腿恢复健康,让一个个佝偻的脊梁再次挺直,让一个个泪水浸透的家庭重获阳光。   刘昌胜说,研发骨水泥,涉及大量的基础研究和工程问题,考验研究者的能力和毅力:“病人带来的感动是我坚持的动力。”   多年来,为救治更多类型的病患,刘昌胜不断丰富骨水泥的科技内涵。从最初的粉末型产品,发展到骨水泥“预制件”,可用于微创手术的注射剂型,能加载抗感染、抗肿瘤药物的新一代骨水泥产品。但他仍有遗憾。   打印并非唯一方向   2012年,刘昌胜获得国家纳米973项目资助,成为项目首席科学家,研究用多级微纳结构生物材料促进骨组织快速修复。为了这个课题,他设计了一个标识:大段骨缺损的修复。   刘昌胜解释说,尽管骨水泥已能适用于近半数的骨科疾患,但对于大段的骨头缺损则显得力不从心。   为了与人体自身骨组织融合,研制的大块人工骨中间,必须留有一个密布细小孔隙的空腔,以利于新生的组织和血管长入,增加缺损部位骨再生的营养输送。骨头越大,传输的距离越长,孔隙结构也越复杂。要做出这种骨头,靠医生在手术台上捏“面团”,或者事先用模具、烧结等常规方法制备,都几乎不可能。   3D打印也许是救治这类病人的出路之一。因为再复杂的立体结构,在3D打印机面前,都只是二维图形的堆叠。   刘昌胜也告诉记者,3D打印并非新一代人工骨研究的唯一方向。除了解决结构问题,他还希望进一步引入干细胞和生物活性因子,为人工骨增添更多治疗功能。比如,他正在研究一种能促进骨组织生长的蛋白,临床研究显示,含有这种蛋白的人工骨能让某些严重骨折病人的愈合时间缩短1/2。   坦白说,3D打印骨头的课题还处于很早期,充满了各种不确定性。比如,目前的骨水泥技术虽然相对成熟,但它完全是一种无机材料,而为了帮助“骨墨粉”更好地满足打印要求,也许就要加入一些有机成分。而且,一旦改变配方,就需要大量的基础研究,以及临床验证。   但对科学家而言,挑战本就是他们的职责和兴趣所在。更何况,打印一根骨头,这个主意赋予了浓郁的后工业化色彩,多么让人着迷。(记者张懿)

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