如果有一天你不幸骨折了，那么一臺3D打印機和一些特殊墨水將是你的良藥。研究人員創(chuàng )造出一種叫做“超彈性骨骼”的材料，可以根據需求定制，而且具備幾乎可與真實(shí)骨骼媲美的功能，呃，至少在猴子和大鼠體內是這樣。盡管還沒(méi)做好人體移植的準備，生物工程學(xué)家對這種材料的未來(lái)持樂(lè )觀(guān)態(tài)度，該材料將使骨骼創(chuàng )傷的快速修復向前邁進(jìn)一大步，不論是被癌癥嚴重破壞的骨骼，還是骨折的顱骨。

“這種材料可以幫助我們輕松地制造出骨骼替代物。”荷蘭烏得勒支大學(xué)的生物材料工程師JosMalda說(shuō)，“這種材料的支架結構更易制作，優(yōu)點(diǎn)也更多。”如今，外科醫生用于置換損壞或缺失骨骼的材料多種多樣。使用最廣泛的方法是自體骨移植，即從患者自身骨骼取材，通常是髖部或肋骨，再將取下的骨骼移植到需要的部位。外科醫生之所以偏愛(ài)自體骨移植，是因為真正的骨骼含有干細胞，可生成軟骨和骨細胞，從而為新的移植物提供額外支撐。

（人類(lèi)的帶有干細胞的部分骨骼碎片不能再生為完整的骨骼，但現存骨骼可向干細胞傳遞信號，指引其向哪里生長(cháng)，分化為何種細胞。）此外，由于新的骨骼替代物來(lái)自患者自身，因此不存在發(fā)生免疫排斥的風(fēng)險。但可用于移植的自身骨骼是有限的，而且這樣做的話(huà)，患者還需要多經(jīng)歷一次痛苦的手術(shù)和恢復過(guò)程。

骨骼替代物的另外一種選擇是構建一個(gè)引導骨骼生長(cháng)的支架。這些支架由天然和人工合成材料制成，相當于建筑的框架。將支架放入患者體內，干細胞就會(huì )沿著(zhù)支架結構生長(cháng)，并分化為骨細胞，這一過(guò)程就像建筑工人根據摩天大樓的鋼筋結構砌墻、鋪地板及安裝玻璃一樣。

至少以上是支架本來(lái)應該遵循的方式——與自體移植方法不同的是，干細胞不一定分化生長(cháng)為所需的骨骼或者軟骨，這與支架的材料成分有關(guān)。研究人員已經(jīng)可以成功使干細胞在一種稱(chēng)為磷酸鈣（CaP）的陶瓷材料上生長(cháng)，但這種材料堅硬且易碎，因而將其植入人體存在困難。

更糟的是，免疫系統有時(shí)會(huì )將這種支架材料視為異物而對其發(fā)起攻擊，使骨骼細胞根本無(wú)法在植入材料上生長(cháng)。此外，如果要制作用于小骨骼（如面部骨骼）再生的磷酸鈣支架，醫生擔心要耗費過(guò)多的時(shí)間和金錢(qián)。

美國西北大學(xué)的研究者正致力研究一種可以彌補上述所有缺憾的材料。他們研究的這種超彈性材料由羥磷灰石（一種天然存在的礦物質(zhì)，存在于我們的牙齒和骨骼中）、一種生物相容性良好的多聚物——聚己內酯和一種溶劑構成。羥磷灰石為骨骼提供支撐，同時(shí)提供干細胞分化成骨的化學(xué)信號；聚己內酯為材料增添柔韌性；溶劑將3D打印的各個(gè)層次在打印脫水的過(guò)程中粘合起來(lái)。

這三種材料被混合制成一種墨水，用3D打印機層層打印成與待替換的骨骼完全相同的形狀。這種方法的思路是，骨骼受損入院的患者，比如下頜骨骨折，在利用影像學(xué)手段獲取骨骼形狀信息后，當天就能通過(guò)3D打印技術(shù)得到超彈性材料制造的替代骨骼支架。患者無(wú)需接受痛苦的自體移植手術(shù)，或者等待個(gè)體化訂制的材料支架生產(chǎn)出來(lái)。

“我們打印出的柔韌性良好的支架可以促進(jìn)骨骼在其中及其周?chē)L(cháng)。”該研究的共同作者，材料科學(xué)工程師RamilleShah說(shuō)。為了檢驗這一材料，研究團隊首先在大鼠體內檢測了3D打印支架，用作脊椎骨融合的材料。他們的目的是測試這種材料能否將2塊相鄰的脊椎骨固定在合適的位置上，效果是否與其他通常用于治療脊柱損傷的材料一樣好。

西北大學(xué)的研究人員在植入這種超彈材料8周后，發(fā)現有血管在支架中生長(cháng)，這是保證成骨組織存活的必需步驟，同時(shí)大鼠自身存在的干細胞開(kāi)始發(fā)生鈣化，形成骨骼。結果證明，這種聯(lián)合材料對脊柱骨的融合作用比對照組材料，如來(lái)自其他個(gè)體的骨骼移植物，或不依賴(lài)于任何支架材料更有效。

研究人員還利用這種超彈性材料修復了一只恒河猴的顱骨損傷。在接受超彈性骨骼移植4周后，支架材料中開(kāi)始長(cháng)入血管以及鈣化的骨骼，同樣值得注意的是，該恒河猴沒(méi)有出現任何不良生物學(xué)反應，例如炎癥或感染，而許多合成材料都會(huì )引發(fā)這些不良反應。

打印中用作墨水的材料——即羥磷灰石與多聚物和溶劑的混合物——在生物醫學(xué)工程實(shí)驗室中應用很普遍，Malda說(shuō)，打印出超彈性骨骼材料價(jià)格低廉。除此之外，研究人員可用3D打印快速完成一些支架的制作，每個(gè)支架花費的時(shí)間不超過(guò)5小時(shí)。這就說(shuō)明，未來(lái)材料支架可以精確地進(jìn)入傷口，這在面部骨骼重塑方面十分重要；又或者打印成薄片狀，這樣一來(lái)，外科醫生就可以根據需要裁剪和粘貼，Malda說(shuō)，“這種材料的應用前景無(wú)可限量。”

未參與研究的密歇根大學(xué)生物醫學(xué)工程學(xué)家ScottHollister認為，該成果在正式應用于人類(lèi)之前還需要進(jìn)行大量重復測試。如果效果顯著(zhù)，該研究成果將為全球患者帶來(lái)福音。“能夠便捷地打印出個(gè)性化的移植物是一個(gè)巨大的進(jìn)步，將為整形外科、腫瘤切除及修復等領(lǐng)域提供大量機遇。”