人工骨骼怎样才“过硬”

3D打印是近几年的热门话题，和其他领域相比，3D打印在医学领域的应用更加具有挑战性，原因在于医学领域对于做这道“菜”的原材料要求比较高。

骨组织是人体最重要的组织器官，同时也最容易出现缺损。现有的多种骨缺损填充材料都有各自的局限性。异种骨和异体骨主要存在交叉感染和抗原性问题;金属、陶瓷或高分子制造的人工骨替代物作为永久植体，存在着生物相容性差、不能被人体正常吸收等问题;自体骨治疗效果最佳，但供体有限且会造成患者额外痛苦。如何制备出在成分和结构上均高度仿生的骨修复材料，是骨再生材料研究的热点之一。

人体骨骼 组装机理三步走

矿化胶原是自然界动物硬组织的基本单元，组成了骨、牙及其他钙化组织，具有优异的力学和生物性能。研究发现，它是有机大分子调控无机矿物沉积得到的基本结构单元，通过自组装实现从纳米尺度到宏观尺度的精确控制和装配，从而形成复杂且高度有序的分级结构。因此，破解矿化纤维多级组装机理是现代生物矿化研究的核心和前沿课题之一。但长期以来一直缺乏矿化胶原多级组装机理的直接证据。

为揭开骨骼形成机理，清华大学再生医学与仿生材料研究所研究团队详细分析了人骨痂和人胚胎骨样本，并与体外模拟相结合，终于发现了矿化胶原分级组装机理的三步骤：第一步，胶原分子在特定浓度和酸碱度条件下，自组装成三股螺旋原胶原纤维。第二步，钙离子和磷酸根离子等形成矿化胶原微丝。第三步，多根矿化胶原微丝平行结合成矿化胶原纤维束。

这项成果在国际上产生了重大影响。《Nature Materials》杂志为此发表了评论，认为该研究将提高人们对其他各种矿化组织中胶原调制矿化机理的理解，并为仿生工程制备新型功能材料指明道路。

仿生材料 一切向真骨“看齐”

揭开了骨骼矿化的原理，接下来自然是努力模仿。我们团队通过体外模拟骨组织在体内的自组装过程，研制出在分级结构和成分上均与天然骨高度近似的人工骨移植材料。在性能上，新材料具有优秀的生物相容性、骨传导性以及骨诱导性;在临床使用中，该材料可促进骨组织的重构，诱导新骨形成，并伴随骨缺损修复过程而逐渐降解，无免疫排斥性，无异物残留，治疗效果接近自体骨。

该发明的产品已获中国SFDA 注册证和美国FDA市场准入许可，成功实现产业化。目前，使用该产品治疗的骨缺损患者已经达到十万余例，无一例因材料引起不良反应。

组合颅骨 人工骨骼的再创新

颅骨缺损是颅脑损伤病人伤后及术后较常见的后遗症。以往，人们普遍用钛网来做颅骨修补的手术，由于儿童的颅骨是不断生长的，用钛网代替颅骨，钛网不能随颅骨的生长相应扩展，常会造成儿童头骨变形并限制大脑发育，因此儿童颅骨缺损需等到12周岁以上再修补，在等待的几年间，不少儿童会出现肢体功能差、斜视、面瘫、头晕、共济失调等“减压窗综合征”。

新型仿生骨材料具有极佳的生物相容性，且可与缺损边缘颅骨融合生长，不影响儿童颅脑生长发育，是最理想的儿童颅骨修补材料。然而，其昂贵成本也让很多患者难以承受。为此我们又进行了新的改进，将钛网和仿生人工骨内板结合到一起，它不仅增加自体成骨细胞在缺损处的修复生长，也增加厚度，加强对外界冷热晒的防护，降低了费用。尤其适用于大面积颅骨缺损的患者。