莱斯大学和贝勒医学院的医学博士/哲学博士研究生格里·库恩斯正在准备用于测试的3D打印生物反应器。（图片来源：杰夫·菲特洛/莱斯大学）

一种新技术通过将 3D 打印的生物反应器（本质上是一个模具）连接到肋骨上，来培育活骨，从而修复颅面损伤。

肋骨中的干细胞和血管渗入模具中的支架材料，并将其替换为适合患者的天然骨骼。

生物工程师安东尼奥斯·米科斯是组织工程领域的先驱，他和他的同事们将他们在长达十年的项目中开发的技术结合起来，旨在利用人体自身的自然愈合能力来推进颅面重建技术的发展。

研究人员开发出一种利用患者自身肋骨培育定制骨植入物以修复颌骨损伤的技术。（图片来源：Mikos 研究小组）

该技术正在开发中，旨在取代目前使用来自患者不同部位（如小腿、臀部和肩部）的骨移植组织的重建技术。

骨替代物

“这项工作的一项重大创新是利用 3D 打印生物反应器在身体其他部位形成骨骼，同时我们预先处理缺陷部位，使其能够接受新生成的组织，”莱斯大学生物工程和化学与生物分子工程教授、美国国家工程院院士和美国国家医学院院士米科斯说。

“早期的研究已经建立了一种技术，可以将植入胸腔的真骨制成有或没有自身血液供应的骨移植片，”共同作者、德克萨斯大学休斯顿健康科学中心牙科医学院口腔颌面外科系教授、主任兼项目主任马克·王说。

“这项研究表明，我们可以利用人工骨替代材料制造出可行的骨移植片。这种方法的显著优势在于，无需取用患者自身的骨骼来制作骨移植片，而是可以使用其他非自体来源的骨骼，”他说道。

针织并覆盖

为了验证他们的设想，研究人员在绵羊的下颌骨上制造了一个矩形缺损。他们制作了一个用于3D打印的模板，并打印了一个可植入的模具和一个垫片，两者均由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，也称为骨水泥）制成。垫片的作用是促进愈合，并防止疤痕组织填充缺损部位。

他们从动物模型的肋骨上移除足够的骨骼，以暴露骨膜，骨膜可作为干细胞和血管的来源，用于在模具内植入支架材料。试验组包括碎肋骨或合成磷酸钙材料，以制成生物相容性支架。

该模具肋骨侧开口，形成紧密贴合的界面，在原位停留九周后取出，并移植到缺损部位，替换原有的间隔物。在动物模型中，新骨与原骨融合，软组织围绕并覆盖了缺损部位。

为什么是肋排？

“我们选择使用肋骨，是因为它们易于获取，而且富含干细胞和血管，这些细胞和血管可以渗入支架并生长成与患者相匹配的新骨组织，”米科斯说。“无需使用外源性生长因子或细胞，这样可以避免监管审批流程的复杂化以及向临床应用转化过程中的困难。”

肋骨还有另一个优势。“我们有可能同时在多根肋骨上培育出新的骨骼，”共同作者、莱斯大学和贝勒医学院的医学博士/哲学博士研究生 Gerry Koons 说，他目前在 Mikos 的实验室工作。

米科斯表示，选择聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为模具和垫片是一个简单的决定，因为几十年来它一直被监管为用于生物应用的医疗器械。二战期间，战斗机使用PMMA挡风玻璃时，医生们注意到嵌入受伤飞行员体内的碎片不会引起炎症，因此认为它是良性的。虽然这项研究的最初目标是改善战场伤员的治疗，但其更广阔的前景也包括民用手术。

结果显示在…… 诉讼中的国家科学院院士.

作者简介

其他合作作者来自莱斯大学；德克萨斯大学休斯顿健康科学中心；贝勒医学院；圣地亚哥 Synthasome 公司；以及荷兰拉德布德大学医学中心。

这项研究由美国武装部队再生医学研究所资助。此外，美国国立卫生研究院、骨科学基金会、巴罗学者计划以及罗伯特和珍妮丝·麦克奈尔基金会也为这项研究提供了支持。

来源: 莱斯大学

科学书籍