高科技接骨妙法
时间：2020-11-04 10:00:09 来源：达达文档网 本文已影响 人 
邱林
打印骨骼修复颅骨示意图
骨骼3D打印机内部
数千年来，人类的骨骼损伤屡见不鲜，如何进行修复一直是困扰医疗界的一大难题，人们不断研究使用什么样的材料来修复受损的骨头。有证据表明，早在新石器时代的秘鲁和古埃及就已经有骨骼修补技术了，那时还没有高超的医术，人们使用的是黄金和铁等材料来充当填充物，而不是真正的骨头。骨外科医生需要一种与人体骨骼高度相似的材料，用于替代发生病变或被撞击损坏的骨骼，希望让患者的受伤部位尽可能地恢复原有的功能。
几个世纪以来，医学家们尝试了众多不同的修复方法，并证实自体（患者自身）骨移植是治疗骨缺损的有效方法。但是，由于某些患者损伤严重，骨骼缺失较大，从其自身提取骨头移植，往往不能满足受伤部位的要求。而且，从健康的人体部位切割骨头，患者须经受一次额外的手术，有疼痛及感染的风险，往往对人体的伤害较大。
人们意识到自体骨移植的种种缺点，为此不断探索将新材料、新技術用于修复人体骨骼缺损。
3D打印骨骼
据英国《自然》杂志报道，人体的骨骼破损有多种情况，有很多破损部位并不是整齐划一的。为了准确地连接用于替换伤处的骨骼，外科医生需要精确绘制出需要替换的部分。近日，英国科学家将时下颇为热门的3D打印技术与骨外科技术结合起来，为精确修复骨骼提供了指南。
3D打印技术是组织工程学的一种高速仿形技术，它以计算机三维设计模型为蓝本，利用激光引导、喷墨打印等技术，将生物材料通过逐层堆积黏结，叠加塑型，最终形成仿真的形状。
将3D打印技术与骨外科技术相结合，可以让医生为每一位病人专门定制植入的骨骼。打个比方，假如一个有颅骨缺损的病人需要治疗，医生可以扫描他的颅骨，然后打印出与病人受伤位置的尺寸和形状相同的一部分颅骨。
不仅如此，科学家还借助3D打印技术研发出了人造“超弹性骨骼”，它是一种新的3D打印合成材料，由有弹性的陶瓷制成，内含牙齿和骨骼中的矿物质以及聚合物。这种材质受到挤压后，能够弹回原来的形状。它在制成骨骼前是液体状态，可以打印成医生所需要的各种形状，也可以沉淀在任何一种材料上，具有很强的可塑性。
传统的人造骨骼不仅难以塑型、容易引发患者身体排斥，而且价格高昂。相比之下，“超弹性骨骼”价格低廉，可以打印出许多形状，并依照需求切割、折叠、接合，弹性好且韧性强，在手术室中能够简单快速地使用。目前英国科学家正在积极推动这种新技术的临床使用，希望能在脊椎、牙齿重建和骨癌手术中使用这种人造骨骼，为病患提供量身订制的骨骼，带来更好的治疗效果。
更有效的连接剂
用什么来连接人体的骨骼与3D打印的人造骨骼呢？这种材料必须是人体所能接受的、安全无害的连接基质。
据美国《大众科学》杂志报道，传统的骨骼连接剂，医学名称是脱钙骨基质，简称DBM。它是一种由胶原蛋白、非胶原蛋白以及较低浓度的生长因子（如骨形成蛋白）等组成的复合骨移植材料，主要取材于人或动物（猪、牛、狗、兔等）的颅骨、股骨和胫骨。它具有低抗原、能够诱导人造骨产生活性的特点。为了制作它，技术人员将骨头磨碎，然后用酸除去钙。剩下的是一种精致的白色代糖粉，主要由刺激骨骼生长的骨形成蛋白组成。这些骨形成蛋白能与干细胞进行“交流”，随后干细胞分裂和复制成为具有不同功能的新细胞。
《大众科学》指出，对于3D打印的人造骨骼来说，传统的DBM黏合性存在不足，在临床上不能有效地使用。为解决这一问题，美国加州大学洛杉矶分校医学中心开发出一种新型DBM，它由骨形成蛋白与石膏混合而成，可用于有效连接人造骨骼和人体骨骼。
在人体内，新型DBM可以将干细胞转化为骨细胞。在外科手术中，它对于填充骨缺损、恢复功能、连接缝隙等都有很好的疗效。这种新型连接剂将在骨移植手术中扮演重要角色。比如，口腔外科医生可将其植入患者退化的下颚骨中，使下颚骨重新生长，足以支持种植牙;它也可以用来填补脊柱融合手术中椎体之间的缝隙，以减轻椎间盘突出患者的疼痛;当骨科医生移植长段的人造骨时，可以沿着移植骨的接缝注入这种连接剂。有外科医生形容说，这种新型DBM是“建在移植骨骼上的脚手架”。
解决排异反应问题
异体骨移植是指把取自动物或他人的骨骼，移植到病患的身上。这种移植术首创于动物骨头移植。17世纪，一个名叫巴特林的人头部被一把剑击中，外科医生把一块狗骨移植到他的头骨上，修复了伤口。他活了下来，却被教会驱逐，因为教会认为“他不再是完整的人类”。为了不被看成异类，巴特林要求外科医生把狗骨取出来。当外科医生尝试取骨的时候，发现巴特林的头骨已经在移植骨的周围再生了。从这个角度来看，这是世界上第一次成功地将动物骨头移植入人体。后来，医学技术不断发展，医生开始使用人类的骨头作为骨移植材料。与动物骨头相比，用人类的骨头移植更能为患者所接受，因此被广泛采用。
据《日本医事新报》报道，3D打印人造骨骼要想投入广泛应用，必须解决排异反应的问题。排异反应是指异体组织进入有免疫活性的宿主体内后，被宿主作为“异己”并受到其免疫系统的攻击。这种由供受体之间的白细胞抗原差异所引起的排异反应，是导致骨移植失败的主要原因。
日本医学家指出，3D打印骨骼毕竟不是天然的人体骨骼，把它移植到人体内，首先要克服强烈的排异反应，这就需要对骨骼进行去抗原处理。
研究指出，经低温保存、急速冷冻的骨骼，可以保持硬度，还能在较大程度上避免病人因异体移植而产生的排异反应。但冷却处理法并不能完全消除排异反应，只是将它控制在慢性排异反应的范围内。相比之下，与冷处理相反的高温加工法能更彻底地清除骨骼之间的排异反应。然而，其弊端在于：经过高温处理后，骨骼虽然没有了抗原性，但内部的诱导细胞提前分化为软骨细胞及成骨细胞，在移植后难以再形成软骨组织和硬骨组织。这样的骨骼移植入人体后，虽然不会产生排斥，但只能起到桥梁的作用，其本身不能诱导细胞生长，也不能和人体很好地融为一体。因此，这种做法只适用于极小的骨移植手术，即不需要人造骨骼在移植后与人体原有的骨骼长合在一起。
为了解决上述问题，日本医学家开发出一种重新组合人造骨骼的方法。这种方法对于人造骨骼分两步进行处理：第一步，在常温下从人造骨骼的皮质骨中取出骨形成蛋白（生长因子），然后将骨骼的其余部分进行脱蛋白处理。这样人造骨骼就不再具有抗原性了，而且骨内形成许多小孔，就像蜂窝一样。第二步，将事先取出的生长因子重新植入人造骨中。经过这样一个过程，人造骨就可以安全地进行移植了。
由于内部既没有抗原物质，又有生长因子，这种人造骨骼一旦被移植到人体内，生长因子就会像磁铁一样诱导病人体内的骨细胞移到人造骨上，并生长起来。同时，人造骨骼自身会不断降解。就这样一边降解，一边诱导新骨生成。大约经过八九年左右，植入的人造骨就会完全消失，同时新的骨头完全长成。这种方法不仅具有高效的成骨活性，而且不会引起排异反应，是一种成熟的人造骨骼移植技术。
编辑：姚志刚 [email protected]
