雷射列印的水凝膠植入物可以改變骨修復過程

如今的植入物通常由患者自己的骨頭製成，稱為自體移植物，或由金屬或陶瓷材料製成。自體移植需要額外的程序來收集骨組織，這會增加恢復時間和手術風險。金屬植入物也會引起問題，因為它們比天然骨骼更硬，並且可能會隨著時間的推移而減弱，從而降低長期穩定性。

設計符合生物學原理的骨科植入物

骨骼比看起來複雜得多。它包含無數對強度和功能至關重要的微觀隧道和中空空間。蘇黎世聯邦理工學院生物材料工程教授肖華欽說：「為了正確癒合，將生物學融入修復過程非常重要。」成功的骨修復取決於多種類型的細胞首先進入植入物，然後共同建造新的組織。

為了更好地匹配這種生物複雜性，陳和他的團隊與 Ralf Müller 教授合作，開發了一種專為未來骨植入物設計的新型水凝膠。這種質地呈凝膠狀的柔軟材料會逐漸溶解在體內，最終可能會為個別患者量身定制個人化的植入物。他們的研究結果最近發表在 先進材料。

受到身體自然癒合過程的啟發

當骨頭第一次斷裂時，身體不會立即產生硬組織。相反，它形成柔軟且可滲透的結構。受傷後的最初幾天，骨折部位會出現血腫或瘀青。這種臨時支架允許免疫和修復細胞移動，同時提供營養。纖維蛋白網絡將這些細胞結合在一起。隨著時間的推移，這個靈活的框架慢慢變成堅固的骨頭。

新開發的水凝膠旨在模仿這一早期癒合階段。由 97% 水和 3% 生物相容性聚合物組成。為了控制硬化的時間和地點，研究人員添加了兩種特殊的分子。一個連接聚合物鏈，而另一個在光照下發生反應，引發固化過程。

Chen 和 Müller 的前博士生 Wanwan Qiu 專門為此目的創建了結合分子。 「它可以快速合成亞微米範圍內的水凝膠，」她說。當特定波長的雷射脈衝擊中材料時，聚合物鏈立即結合併形成固體結構。未暴露於雷射的區域仍然柔軟，可以稍後去除。

打破奈米級雷射列印記錄

利用這項技術，該團隊能夠以極高的精度和細節塑造水凝膠。雷射可以創建尺寸小至 500 奈米的結構。

「水凝膠呈現果凍狀，這使得它們難以成型，」蘇黎世聯邦理工學院的陳教授說。 「得益於新開發的傳輸分子，我們現在不僅可以以非常穩定和精確的方式構造水凝膠，而且還可以以高達每秒 400 毫米的高寫入速度生產它。這是一個新的世界紀錄。”

在他們的實驗中，研究人員以真實骨骼為模型製作了高度詳細的水凝膠結構。他們以醫學成像為指導，重建了被稱為小樑的微小網絡，該網絡賦予骨骼內部力量。

正常骨骼本身包含一個令人驚嘆的充滿液體的管道網絡，寬度只有一奈米。 「一塊骰子大小的骨頭包含 74 公里長的隧道，」陳說。相較之下，世界上最長的鐵路隧道聖哥達主隧道全長 54 公里。

早期實驗室測試顯示出有希望的結果

到目前為止，該材料僅在實驗室實驗中進行了評估。在試管研究中，成骨細胞迅速遷移到結構化水凝膠中，並開始產生膠原蛋白，這是骨骼的重要組成部分。研究人員也證實，該材料具有生物相容性，不會傷害這些細胞。該基本材料已獲得專利，該團隊打算將其提供給藥品製造商。

最終目標是將水凝膠基植入物投入臨床用於修復骨折。仍需要更多研究。 Chen 正在與達沃斯 AO 研究所合作準備動物研究。這些測試將檢查該材料是否支持活體生物體內成骨細胞的運動，以及是否可以隨著時間的推移恢復骨骼強度。