近日，來自北卡羅來納州杜克大學(xué)的一組研究人員正在開發(fā)一種新穎的生物3D打印材料，可以用于為患者創(chuàng)建特異性軟骨植入物。創(chuàng)新的軟骨模擬材料由水凝膠混合物制成，可用于3D打印半月板植入物修復(fù)受損的膝蓋。

對于遭受膝傷的任何人來說，都需要在其生活中佩戴膝蓋支架，杜克大學(xué)的消息將會非常激動人心。最近在ACS生物材料科學(xué)與工程雜志發(fā)表的一篇文章中，杜克大學(xué)的一個研究團(tuán)隊描述了其開發(fā)基于水凝膠的材料的過程，該材料可以3D打印到定制的軟骨模擬結(jié)構(gòu)中。

雖然該項目還處于初期階段，但研究人員確實證明了如何將300美元的低成本3D打印機(jī)用于將生物相容性材料3D打印為半月板狀結(jié)構(gòu)，然后將其植入膝蓋塑料模型。

杜克大學(xué)化學(xué)副教授Benjamin Wiley解釋說：“現(xiàn)在我們已經(jīng)非常容易地在一個相對簡單和廉價的過程中打印出與軟骨機(jī)械性能相當(dāng)接近的物體。”

對于那些不熟悉人類膝蓋解剖結(jié)構(gòu)的人來說，Menisci是一對基于軟骨的“減震器”，位于大腿和脛骨之間。當(dāng)我們運(yùn)動時，它們基本上負(fù)責(zé)緩沖和保護(hù)我們的骨骼。但是，當(dāng)我們的半月板保護(hù)我們的膝蓋時，它們不會破壞自身，因為即使輕微的膝蓋損傷也可能損傷軟骨，導(dǎo)致疼痛，并可能引起關(guān)節(jié)炎等病癥。

目前，用于修復(fù)或更換損傷的半月板的治療方法是有限的，但是現(xiàn)有的植入物不如原始軟骨那樣強(qiáng)壯或者不完全生物相容。杜克大學(xué)正在進(jìn)行的這項研究希望能夠提供一種適合替代現(xiàn)有治療方法，即提供生物相容性和強(qiáng)度的治療方法。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，水凝膠的益處越來越明顯，因為生物相容性材料具有與軟骨相似的分子結(jié)構(gòu)。然而，這些材料仍然存在一些挑戰(zhàn)。“目前可用的凝膠真的不如人體組織那么強(qiáng)，一般來說，當(dāng)它們從打印機(jī)噴嘴擠出時，它們不會停留在一起，因為它們主要是水，所以它們會遍布整個地方，”Wiley說。

杜克研究項目正在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并發(fā)現(xiàn)了一種創(chuàng)新的方法來克服這些挑戰(zhàn)，至少在3D打印方面。該團(tuán)隊的研究人員Feichen Yang一直在嘗試將兩種不同類型的水凝膠混合在一起：一個堅硬而強(qiáng)壯，另一個柔軟而有彈性。

通過使用“雙網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)組合兩個水凝膠，該團(tuán)隊能夠創(chuàng)建一個可以調(diào)整以具有特定屬性的材料。然后，通過向混合物中加入納米顆粒粘土，能夠使水凝膠混合物支持3D可打印。正如研究人員解釋的那樣，粘土使水凝膠混合物在剪切應(yīng)力(如擠出)時變成液體，然后在應(yīng)力消失時固化。

通過他們的研究，研究人員希望，將來有一天，使用軟骨模擬材料可以為待植入患者3D打印定制的形狀。對于半月板處理，打印定制形狀可以提供很大的好處。如Wiley所言：“形狀對于半月板來說非常重要。在很大的壓力下，如果它不完全符合你的話，那可能會滑落，或者讓人虛弱或痛苦。”

此外，能夠調(diào)節(jié)水凝膠的性質(zhì)，使其變化(即，一端較軟，中間更強(qiáng))可以允許植入物更加模仿真正的半月板，這是在使用更傳統(tǒng)的成型技術(shù)時不可能出現(xiàn)的壯舉。

盡管技術(shù)處于初期階段，但杜克大學(xué)的研究團(tuán)隊已經(jīng)使用塑料膝蓋模型展示了其可行性。更具體地說，團(tuán)隊3D掃描塑料膝蓋模型并創(chuàng)建了半月板的3D模型，然后使用雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠3D打印。據(jù)報道，整個過程只花了一天時間，這標(biāo)志著一個新的希望的開始。

“這真的是一個剛剛發(fā)展的、有希望的領(lǐng)域，”Wiley評論道。“我希望這一研究結(jié)果可以輕松實現(xiàn)，這將有助于讓許多其他人感興趣，制造出更加逼真的半月板組織，使其機(jī)械性能更接近人體組織。”