骨骼的復(fù)雜性遠(yuǎn)超人們的想象。它們既輕盈、多孔又堅(jiān)固——這種組合長(zhǎng)期以來一直是工程師和臨床醫(yī)生在嘗試替換或修復(fù)骨骼時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。金屬植入物和骨移植仍然是標(biāo)準(zhǔn)解決方案，但它們?cè)隗w內(nèi)很少能像真正的骨骼那樣運(yùn)作。

新南威爾士大學(xué)堪培拉分校的研究人員正在探索3D打印技術(shù)能否彌補(bǔ)這一空白。他們的研究重點(diǎn)是可生物降解的骨支架，旨在更好地匹配骨骼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)響應(yīng)，而不僅僅是填充缺損部位。

博士生考希克·拉杰·皮拉（中）與他的導(dǎo)師胡安·巴勃羅·埃斯科貝多-迪亞茲（左）和保羅·哈澤爾（右）合影。（圖片來源：新南威爾士大學(xué)堪培拉分校）

超越統(tǒng)一的腳手架設(shè)計(jì)

該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出3D打印支架，能夠復(fù)制天然骨骼的關(guān)鍵特征，包括強(qiáng)度和孔隙率。植入后，這些支架可作為臨時(shí)支撐，促進(jìn)新組織的形成，然后逐漸溶解。理論上，這可以減少后續(xù)手術(shù)的需要。

主要區(qū)別在于支架的設(shè)計(jì)。研究人員沒有采用均勻重復(fù)的圖案，而是采用了隨機(jī)晶格結(jié)構(gòu)。這種不規(guī)則的結(jié)構(gòu)更接近骨骼，骨骼的密度會(huì)根據(jù)位置和功能而變化。支架采用聚乳酸（PLA）打印而成，PLA是一種可生物降解的聚合物，已在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛研究。

一種采用3D打印技術(shù)制造的隨機(jī)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，旨在模擬天然骨骼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（圖片來源：Kaushik Raj Pyla）

在實(shí)際條件下進(jìn)行電阻測(cè)試

為了評(píng)估性能，研究團(tuán)隊(duì)打印了具有不同內(nèi)部方向的腳手架，包括縱向、橫向和對(duì)角方向。力學(xué)測(cè)試表明，這些結(jié)構(gòu)比緩慢穩(wěn)定的載荷更能承受突發(fā)沖擊。失效模式也因方向而異，這表明內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用比之前認(rèn)為的更為重要。

“在快速受力的情況下，這種材料會(huì)變得更脆，但也能更有效地吸收能量。這對(duì)于跌倒或事故等現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景尤為重要，”該研究的主要作者考?？恕だ堋てだf道。

為什么血液流動(dòng)對(duì)愈合至關(guān)重要

然而，機(jī)械強(qiáng)度只是影響愈合效果的一部分。研究人員還考察了體液在支架中的流動(dòng)情況，這對(duì)于愈合至關(guān)重要。血液和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須能夠自由循環(huán)，才能促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和再生。

“我們發(fā)現(xiàn)，有些設(shè)計(jì)在強(qiáng)度和液體循環(huán)方面表現(xiàn)特別出色。這表明，可以根據(jù)不同骨骼所承受的應(yīng)力來調(diào)整植入物，”皮拉先生補(bǔ)充道。

這些支架尚未準(zhǔn)備好用于臨床，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的生物學(xué)測(cè)試和監(jiān)管工作。盡管如此，結(jié)果表明，骨修復(fù)可以采用更多針對(duì)特定患者的治療方案。隨著醫(yī)用增材制造技術(shù)的進(jìn)步，此類研究強(qiáng)調(diào)，設(shè)計(jì)選擇與材料選擇同等重要。

編譯整理：3dnatives