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3D打印促进膝关节半月板再生
2015年01月09日 最新动态 暂无评论 ⁄ 被围观 2,251 views+

半月板是我们膝关节里面的一小块软骨,虽然很多人都没听说过,但它在腿部的正常功能中起重要作用。不幸的是,半月板受伤十分常见,而且常可导致关节炎并引起剧烈疼痛。

幸运的是,美国哥伦比亚大学医学中心的研究人员设计了一种方法,使用个性化定制的3D打印植入物,该植入物中注入了刺激干细胞的蛋白质,以替代受损的半月板,促使人体在膝关节处再生出一个全新的、功能性衬里。

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目前,这一治疗方案已经在羊身上获得了成功,羊的膝盖结构与人类似。而且该技术可以为受损半月板提供有效而持久的修复。预计这一技术将惠及全世界数以百万计的患者。

研究人员对于羊的临床实验过程是这样的:研究团队在JeremyMao的带领下对于羊的完好膝盖中的正常半月板进行MRI扫描;扫描结果随后被转换成3D模型并将其发送到3D打印机中,由其根据原始半月板的精确形状和尺寸打印出植入物或支架。3D打印机的精度高达10微米,可以实现远超手工的分辨率。该支架或植入物使用可生物降解的聚己内酯(PCL)材料,打印过程需要大约30分钟。PCL也常常被用作外壳缝合线的原料。

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从左到右:羊半月板、激光扫描获得的半月板3D模型和3D打印的半月板支架

Mao博士解释说,该支架需依次进行两次人类蛋白质注入。结缔组织生长因子(CTGF)和转化生长因子β3(TGFβ3)的蛋白质能够刺激人体内部的干细胞,促使他们重新生成半月板组织。

至关重要的是,两次蛋白质注入一定要按顺序释放到支架的特定区域。为了做到这一点,研究人员将蛋白质封装在两种类型的缓溶聚合物微球中。首先释放是CTGF,它可以刺激外部半月板的生成,然后是TGFβ3刺激内部半月板。经过充分生长后,上述支架和蛋白质被插入受损的膝盖中。

常规的组织工程方法是,从身体中提取干细胞,在实验室中进行培养生长,然后再将其置入患者体内。而本文研究团队的方法则大不相同,Mao博士称,他们“使用促进内源性干细胞组织再生因子在人体内启动了这一过程。”

研究团队对11只绵羊进行了试验,其中一只随机选择的绵羊接受了蛋白质注入的3D支架,而其余的则接受没有蛋白质的3D支架。据了解,平均到六周之后,接收到的蛋白质输注治疗的绵羊已经能够像正常绵羊一样经受负重和运动。而且由于聚己内酯的特性,支架最终溶解和被排出体外,不留痕迹。事后检查发现,再生的半月板在结构和机械性能上与自然半月板非常相似。

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右:有蛋白质刺激的再生羊半月板。左:无蛋白质的再生半月板。

这一治疗方案的成功对于医患双方都是好消息。“目前,几乎没有骨科医生能做到再生撕裂的膝盖半月板。”Mao博士说。“一些小的撕裂可缝回原处,但更大的撕裂必须手术切除。”切除可以帮助减少疼痛和肿胀,但它使膝盖失去了一个天然的减震器,并增加关节炎的风险。

用人体其它部分组织培养出来的半月板进行移植也是一种选择,但是这种办法成功率低而且风险很大。Mao博士的3D打印方式似乎是一个比较明确的解决方案。

“我们认为,个性化的半月板支架,从最初的MRI扫描到3D打印,可以在几天内完成。”Maori博士说。个性化的支架可以在一周之内运到医院,减少了手术和恢复的总体时间。研究人员希望一旦资金到位,立刻开展临床试验。

“这项研究虽然是初步的,但是展示了一种使用创新方法实现半月板再生的潜力。”这项研究的共同作者ScottRodeo博士说,他是纽约市特种外科医院的运动医学整形外科医生兼研究人员。研究论文于12月10日发表在《ScienceTranslationalMedicine》网络版上。除了Mao博士和Rodeo医生,康纳尔大学兽医学院大型动物外科的LisaAnnFortier教授也部分参与了这项研究。