經過近半個(ge) 多世紀的發展，現代人工髖、膝關(guan) 節置換術已在全世界範圍內(nei) 廣泛普及。據不完全統計，2019年我國的人工髖、膝關(guan) 節置換手術量已經超過了95萬(wan) 例，且仍以接近每年20%的速度增長。

　　“我國引入人工關(guan) 節置換手術已有30餘(yu) 年。從(cong) 關(guan) 節假體(ti) 使用損耗和假體(ti) 附近骨損失的時間推算，我國即將進入大量關(guan) 節置換後的‘翻修’時代。”北京大學首鋼醫院副院長關(guan) 振鵬在接受《中國科學報》采訪時表示，其中，骨缺損的處理是翻修手術最為(wei) 複雜的技術關(guan) 鍵點之一。

　　近日，《先進藥物遞送評論》（Advanced Drug Delivery Reviews）刊發了關(guan) 振鵬、芬蘭(lan) 埃博學術大學教授張宏博、上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院教授崔文國聯合團隊在骨再生治療領域的研究進展，他們(men) 首次在靜電紡絲(si) 和3D生物打印兩(liang) 個(ge) 技術層麵介紹了骨再生材料的合成策略以及技術選擇。

　　業(ye) 內(nei) 專(zhuan) 家認為(wei) ，該研究不僅(jin) 在材料選擇與(yu) 製作技術方麵進行了係統全麵的分析和論述，更可貴的是結合了實際臨(lin) 床需求，從(cong) 外科醫生角度出發，講述了對未來研發產(chan) 品的期望。

　　骨科材料的“推陳出新”

　　1965年，美國科學家Urist首次提出誘導成骨理論，即具有骨誘導特性的生物材料可以誘導骨髓幹細胞趨化並分化成骨細胞，誘導骨細胞在局部分泌礦化基質和膠原蛋白，從(cong) 而誘導形成新骨，在非骨骼環境中形成骨骼。

　　隨著學術界對骨替代材料研究的不斷深入，多種骨替代材料相繼研發問世，包括同種異體(ti) 骨、脫礦骨基質、人工合成骨傳(chuan) 導生物材料等。

　　目前，對於(yu) 小範圍非應力部位的骨缺損，骨科的“金標準”是同種異體(ti) 骨移植，但其價(jia) 格比較昂貴，而且隻適用於(yu) 小範圍或非負重區的填補。

　　對於(yu) 大麵積、負重區骨缺損的處理，業(ye) 內(nei) 起初使用骨水泥、骨屑直接進行填補，但其遠期效果並不理想。而即便是先在骨缺損部位加入螺釘進行固定，效果依然不佳，隨後逐漸被臨(lin) 床淘汰。

　　“現在，我們(men) 經常使用的是一種叫鉭的金屬，它的內(nei) 部結構與(yu) 人類骨結構非常相似，都有‘小梁結構’，骨組織可以很好地與(yu) 鉭嵌入生長。同時，無論是機械應力、密度和金屬惰性，它都非常適合作為(wei) 植入物。”關(guan) 振鵬說，目前，由鉭金屬製作的“小墊塊”成為(wei) 了骨科翻修術的主流材料選擇。

　　但鉭墊塊也有局限性。

　　“首先鉭的價(jia) 格非常昂貴，一個(ge) 小小的墊塊都要數萬(wan) 元；其次，鉭的密度比骨密度要大，而骨缺損修補材料與(yu) 骨的密度差異是骨缺損修複遠期效果的主要影響因素。”崔文國認為(wei) ，骨再生材料的研究不能單純地探索新材料，還要從(cong) 新製作工藝尋求解決(jue) 辦法。

　　新製作工藝帶來“新遇”

　　近年來，最為(wei) 火爆的3D打印技術為(wei) 骨科帶來了“新視野”。

　　據該論文作者之一、北京大學首鋼醫院骨科碩士研究生王一川介紹，國內(nei) 已經有公司使用鈦合金進行3D打印成骨小梁結構的骨缺損材料和植入物。“在保障骨缺損位置機械應力的情況下，骨組織也能嵌入生長，而且材料價(jia) 格也比較親(qin) 民，遠期效果也很理想。”

　　但這同時也帶來一個(ge) 問題：嵌入生長的不一定是骨組織，還有瘢痕或者其他軟組織。

　　“如何使填補材料更好的嵌入生長呢？我們(men) 需要製作具有模擬體(ti) 內(nei) 局部微環境結構特征的‘支架’，這時我們(men) 就想到了製備微納米纖維的電紡絲(si) 技術。”關(guan) 振鵬說。

　　所謂的電紡絲(si) 技術是指對針頭內(nei) 高分子液體(ti) 施加高壓電，使針頭內(nei) 液體(ti) 帶有電荷，由於(yu) 電荷之間互相排斥且與(yu) 接地端互相吸引，使液體(ti) 能夠克服表麵張力射出針頭，從(cong) 而獲得納米或微米尺度的細絲(si) 。

　　目前，電紡絲(si) 技術通過噴絲(si) 頭和收集器以及調節參數，製造具有不同形態的納米纖維，例如中空、芯套筒以及珠狀結構和不同纖維直徑或其他獨特結構的納米纖維，並在骨再生領域應用。

　　“為(wei) 了模擬骨的自然生長狀態，靜電紡絲(si) 纖維膜可以通過相關(guan) 方式影響成骨細胞的增殖和分化仿生的粗糙度、動態壓縮變量，使成骨細胞更好的增殖附著，達到快速骨生成的目的。”關(guan) 振鵬說。

　　不過，在臨(lin) 床工作中，有很多關(guan) 節置換的患者伴有嚴(yan) 重的骨質疏鬆。

　　“植入周圍骨的質量直接決(jue) 定著手術效果，於(yu) 是，在植入假體(ti) 或支持物上負載有利於(yu) 骨再生的活性組分便是非常好的途徑。”王一川說。

　　仍需接受臨(lin) 床實踐的“考驗”

　　雖然靜電紡絲(si) 和3D生物打印在生產(chan) 複雜結構方麵有巨大潛力，但在臨(lin) 床應用中也需要技術的提升。

　　“我們(men) 需要深入研究材料負載水平對機械和生物性能的影響，將宏觀的3D打印支架和微觀的微納米纖維相結合，實現宏觀新組織長入和微觀細胞行為(wei) 調控，並尋求在靜電紡絲(si) 和3D生物打印支架中的平衡，以確保最佳性能。具體(ti) 而言，因為(wei) 材料需要滿足特定的要求才能確保製造方式高效和有效地運行，因此，在獲取優(you) 化納米材料增強的骨組織工程支架時所采用的靜電紡絲(si) 和3D生物打印技術相結合，再優(you) 化組合方法，實現宏觀和微觀的的統一。”關(guan) 振鵬說。

　　此外，張宏博指出，還應利用分子生物學方法進一步探索誘導下的詳細機製生物現象，進而從(cong) 分子機理上給予證實，才能增強靜電紡絲(si) 和3D生物打印支架工程化優(you) 選產(chan) 品的性能；同時，要充分利用現有的靜電紡絲(si) 和3D生物打印支架，重現多功能支架，節省設計成本。

　　當然，任何一項新技術、新材料要實現臨(lin) 床轉化，最為(wei) 重要的是在臨(lin) 床中得到驗證。它的安全性和有效性都需要在未來幾十年的臨(lin) 床實踐中不斷總結。

　　一直以來，骨水泥是骨科最常用的“膠水”，常來固定植入物假體(ti) 和骨的粘合劑，但其最終與(yu) 人身體(ti) 的主要應力組織——骨組織存在許多差異。“在骨科的假體(ti) 置換和骨缺損修複領域中，我們(men) 最終的追求就是純自然狀態，即手術後患者完全回歸原本健康的狀態，而且終生不需要進行二次手術翻修或植入物取出。”關(guan) 振鵬期望。

　　相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1016/j.addr.2021.05.007

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