本文轉自【科技日報】；
人造骨修復支架可用於支持、修復或替換受損骨骼，對於骨移植手術有重要作用。
本報記者 王延斌
骨缺損是一種由創傷、感染、骨質疏松等多種原因引起的疾病。嚴重的骨缺損有可能導致患者肢體功能障礙，甚至出現骨不連等情況，影響患者生活品質。
近日，記者從山東第一醫科大學了解到，該校副教授劉冰、教授李偉，與山東第一醫科大學附屬省立醫院副主任醫師滿振濤合作開發了一種新型3D打印陶瓷支架。這種支架具備優異的活性氧清除能力、近紅外響應能力與力學效能，可以有效增強骨骼的愈合能力，為骨缺損治療提供了新方案。相關研究論文刊登在國際期刊【尖端科學】上。
促進骨生成
骨移植是骨缺損的傳統治療方法，全世界每年進行超過200萬例骨移植手術，移植所用的天然骨組織主要來源於自體骨、同種異體骨和異種骨。自體骨供應量有限，難以滿足大塊骨缺損的修復需求。同種異體骨和異種骨移植則存在免疫排斥等風險，可能導致移植的骨組織無法存活，甚至引發炎癥和感染。
正因如此，人造骨修復支架對於骨移植手術具有關鍵作用。開發具有良好骨修復功能的新型材料，實作骨結構重建乃至骨功能恢復，具有重要的科學價值和臨床意義。
人造骨修復支架可用於支持、修復或替換受損骨骼，其化石相容性、機械效能、可塑性、骨誘導性和力學穩定性是影響骨組織愈合的關鍵因素。
理想的人造骨修復支架材料應具備可降解性，同時要確保支架的孔隙率精確可控，孔道結構連貫暢通，外形與骨缺損區域相匹配，力學效能與自然骨接近，材料降解速率與新生骨組織形成速度相協調等。
劉冰告訴記者，研究團隊開發的用於臨界骨缺損修復的新型3D打印陶瓷支架，能夠實作對骨缺損區域免疫微環境的動態精確管理。所謂「臨界骨缺損」是一種較為嚴重的骨組織損傷，指的是骨折無法自然愈合，或僅能再生極少量骨組織的情況。
這種新型支架不只是骨骼「備件」，還可以介入骨骼修復，促進骨免疫調節，持續釋放有益離子，加速新骨生成。同時，支架能夠隨著新骨生長而逐漸降解，有效解決傳統支架「新骨未長成，支架已降解」的問題。
有效抗炎癥
骨組織修復過程往往伴隨炎癥反應。炎癥反應未得到有效控制時，可能導致骨組織發生病理性纖維化，破壞正常的骨組織結構。此外，炎癥反應的型別、持續時間和強度也會影響骨組織的修復效果。
劉冰表示，傳統的人造骨修復材料通常難以調節炎癥反應，並且這些材料作為異物植入人體後，會觸發周圍細胞的免疫反應，釋放促炎訊號，從而阻礙修復型抗炎介質參與成骨反應，這將抑制或延緩骨組織修復。
劉冰說，研究團隊利用鋅離子、鍶離子這兩種生物活性離子，對β-磷酸三鈣基材料進行了部份鈣離子的原位置換，成功改善了材料的晶體結構，最佳化了粉體制備條件和3D打印工藝。新支架的抗壓力度較傳統材料提升了近3倍，實作了高孔隙率和優異力學效能的良好結合。
在植入人體後，這種材料可以與骨直接融合，不會產生局部炎癥反應和毒副作用。此外，鋅離子具有抗炎抗菌作用，鍶離子則可以促進成骨細胞活性。劉冰進一步解釋，在支架逐漸降解的過程中，這兩種離子的長期釋放有利於維持骨再生後期的抗炎調節，並刺激成骨細胞生成。
消除活性氧
活性氧是生物體內正常代謝過程中產生的含氧自由基，適量的活性氧對細胞訊號傳導、免疫反應等有益。但在促炎介質作用下，活性氧往往會過量產生，這可能導致氧化應激，損傷蛋白質、DNA、脂質和脂質膜的結構和功能，從而阻礙骨修復和再生。
對此，研究團隊巧妙地將超薄二維材料MXene-Ti3C2組裝於新型3D打印陶瓷支架表面，讓該支架擁有近紅外光響應特性和清除多余活性氧的能力，從而更好地維持生物體內的環境平衡，並使其得以在短時間內促進骨修復和再生。
在植入3D打印陶瓷支架後，對患處進行近紅外照射，可引起支架的近紅外光響應，在支架周圍產生局部輕度高溫，這相當於在患處進行了輕度光熱治療。適度高溫可以促進人體早期防禦機制啟用，增強機體活性氧清除能力。這將為骨組織再生創造適宜的骨免疫微環境。
研究團隊發現，在治療大鼠顱骨缺損時，新型3D打印陶瓷支架的成骨效果明顯優於傳統支架。不過，劉冰也表示，針對承重區域臨界骨缺損修復的臨床需求，如何在確保陶瓷基支架可3D打印的同時，進一步提高其強度，仍是這類陶瓷材料邁向臨床套用需要攻克的關鍵技術難題。
未來，人造骨修復支架將繼續朝著生物活性更高、可降解性更好、材料和功能更加豐富的方向發展。此外，奈米技術、3D打印技術、人工智慧技術等將進一步豐富人造骨修復支架的個人化治療方案，提升支架的效能和療效。
