3D打印水凝胶半月板,效果跟原装的一样好

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2018-03-02 14:32:57

  

图片来源:Feichen Yang

科学家说,一种新的软骨样水凝胶材料可以使修复膝盖的工作变得更容易,因为这种材料可以用于3D打印,为每个个体打造定制的膝盖。

新的研究重点是膝盖内部两个叫做半月板的关键减震器,我们需要将合适的材料打造成恰当的形状才能用它们替换人体的半月板。

这是杜克大学的科学家所面临的挑战。他们表示,只需花费300美元,就可以使用3D打印机在一天内打印出适合的水凝胶半月板。

如果这个壮举可以在更大的范围内复制,我们就能找到简单且便宜的方式去修复频繁发生的、复杂而又棘手的损伤。

“我们把这项技术简易化了,现在任何人都能用相对简单和便宜的方法打印出与软骨机械性能非常相似的东西。” 研究人员之一Benjamin Wiley说。

我们每个膝盖里都有两个耳形的半月板,它们位于大腿和胫骨之间,缓冲我们迈出的每一步。如果半月板的缓冲性遭到破坏,步行会变得痛苦,罹患关节炎的风险也会增加。

当我们成年了,半月板就再也不能自我修复了。因此,那些半月板破裂的人不得不找外科医生替换掉受损的半月板。 麻烦的是,植入的半月板并不像原生半月板那样强壮而具有弹性,也不能帮助膝关节的愈合。

更重要的是,半月板是由互补的柔软外层和坚硬的内层共同构成的。 通过3D打印用单一材料制成半月板的过程变得更复杂了。

为了解决这个问题,科学家将强力水凝胶和可拉伸水凝胶结合在一起,试图打造出一种尽可能接近软骨的材料。 他们还在这种材料中添加了纳米颗粒粘土,使它能在压力下流动,又能快速硬化。

“这是相互编织的两种材料,”团队的另一个成员 Feichen Yang解释说。“正是两种材料的交织使整个材料非常强韧”。

科学家正酝酿着使用像这样的水凝胶作为软骨替代品的想法,因为这两者具有某些相似的特性:如果仔细观察,您将看到两者中都具有一条长串分子网络,在分子网络中间分布着水分子。

另外,正如我们从其他研究中所知道的,3D打印在医疗健康方面的优点在于更换身体部位可以按照要求进行排列,可以根据患者的需要定制合适尺寸和形状的产品,在这一案例中,这一点显得尤为重要。

“半月板的形状非常重要。”Wiley说。“行走时半月板需要承担很大压力,如果半月板不能完全符合患者的需要,那它可能会滑脱,其功能也会被削弱,从而给患者带来痛苦。”

通过计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)扫描,医生可以计算出应该如何设计植入物,然后将该信息输入3D打印机。只要我们有合适的人造材料,人造半月板的功能就可以和原生半月板一样好。

研究人员承认,这个“年轻领域”的研究还处在早期,但是半月板样品显示了水凝胶在简化膝盖修复上的潜力。

我们现在知道可以开发具有与软骨相似性质的水凝胶,且这种水凝胶可以在一定的预算下用3D打印机生产出来。随着未来研究的深入,科学家们还将开发出更接近人体组织的3D打印材料。

“我希望证明水凝胶能轻松完成半月板的修复,能够使许多其他人对研制实用的可打印水凝胶感兴趣。”Wiley说。

该研究已发表在《ACS生物材料学与工程学期刊》上。

蝌蚪五线谱编译自sciencealert,译者 晴空飞燕,转载须授权