受熱狗堡啟發!研究團隊用3D列印支架,幫兔子修復受損骨骼

2019.08.27 by
張庭銉
受熱狗堡啟發!研究團隊用3D列印支架,幫兔子修復受損骨骼
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中科院上海矽酸鹽研究所的團隊受到受歡迎的速食-熱狗激發靈感,研究出條狀麵包+肉腸相似結構的生物陶瓷材料,讓人工骨骼與骨骼修復工程的技術有了相當大的進展。

人類的身體就像台精密的生物儀器,體內的組織與器官構造不容易被仿造。隨著3D列印(積層製造)技術發展,「仿人體研究」的侷限不斷突破,以臨床醫學內科的骨骼修復工法來說,該技術攸關人工骨骼材料的革新。

本月初,有研發團隊聲稱受到風靡全球的速食啟發,打造出「熱狗般」(Hot Dog-Like)仿生材料的結構,這項成果使得人造骨頭的支架有更好的人體適應與修復效果。

在骨骼系統的疾病與創傷治療當中,修復重大骨骼的缺損一直是現代醫學的重大挑戰,植入骨骼支架是目前最常見的修復方法。3D列印技術幫助了修復工程得以運用可分解材料製作生物支架(bioscaffold),簡化了生產時間並減少人工骨頭對使用者的副作用。

不過,除了材料的考量,還得完美仿造出原生骨骼的多層結構,這些複雜的骨質結構發揮「傳送」與「儲存」營養的作用,這也是無法用硬度極高的金屬置入體內取代人骨的原因之一。

結合3D列印技術與冷凍澆注工法,實現具備對齊的層狀微結構的類熱狗骨骼支架(HD-AKT)。
Advanced Science

隸屬中國科學院的上海矽酸鹽研究所(SICCAS)受到熱狗的結構啟發,於本月8日在《先進科學》雙周刊發表使用3D列印的直寫成形術(DIW)與雙向冷凍澆注法(bidirectional freezing process)打造的「類熱狗生物材料」支架。

與以往的3D列印多孔型支架(porous scaffold)不同,傳統多孔支架至多能做到大小不一的孔洞,用來幫助骨細胞生長,分布不一的孔洞卻無法形成連續孔道結構進一步幫助循環。

SICCAS的類熱狗生物材料(簡稱H-AKT)支架,究竟跟自歐美發跡的食物「熱狗」關聯為何?

具體而言,該支架以孔徑約1毫米的中空生物材料陶瓷管作為主體(模仿熱狗的條狀麵包),嵌入直徑小於500微米(μm)的條狀生物陶瓷棒(模仿熱狗的肉腸),這些「肉腸」由直徑約30微米的微孔均勻排列而成,構築一層層的連續孔洞構造。

調整骨骼支架中類熱狗生物調料的比例(從20%到50%),獲得不同結構的熱狗樣支架,分別以HD-20AKT,HD-30AKT,HD-40AKT和HD-50AKT命名。
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類熱狗支架分層結構,有效改善骨細胞生物活性

研究指出,熱狗狀的生物陶瓷支架,微米/奈米大小的分層結構對生物材料的屬性有著很大的影響,生物的骨骼就是保有自然的分層結構,足以讓組織細胞運輸和儲存營養物質。

在SICCAS為期8週的效果測試,HD-AKT被植入實驗用兔的體內,判斷其是否能有效修補兔子缺損的股骨;結果該生物陶瓷不但沒有引起發炎反應,新形成的骨骼細胞在「熱狗支架」的層狀孔道(hierarchical rods)長成新的骨組織,證明了該支架有助骨細胞增生與分化(differentiation)。

植入類熱狗骨頭支架的兔骨有良好的生物活性,在3D顯微鏡圖像中,綠、紅和白色分別代表新骨、支架和主骨。2D圖像中新形成的骨骼(紅色)長成類熱狗支架的層狀微結構(綠色箭頭)。
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此外,如同熱狗結合麵包與肉腸提供人們能量和營養,經過測試,HD-AKT藉由模仿熱狗的實際分層結構,強化了兔骨隨細胞的藥物與蛋白質傳遞,成功改善人工骨骼支架傳遞營養物質的潛力。

SICCAS的研究表明,類熱狗生物材料,在生物組織工程、再生醫學與藥物投用領域都有良好的的應用前景。或許人們身旁不起眼的事物,都有可能成為某項創造性工作的靈感來源。

責任編輯:蕭閔云

資料來源:Advanced Science臺大醫院

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