尝试打印可植入人体骨头
发布时间：2013-06-04
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文汇报
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华东理工大学的刘昌胜教授正尝试让3D打印机打印出可以植入人体的大段骨头，以帮助重伤病人站起来。打印骨头是刘昌胜近20年人工骨研究的一个新拓展，迄今为止，他牵头开发的生物材料已与超过20万名病人的骨头融为一体。
“堆叠”出硬骨头
在刘昌胜的办公室，记者见到了打印的人工骨。确切地说，现在它还只是一个很原始、很早期的雏形，是一片比硬币还薄、大半张邮票大小的长方形切片。
刘昌胜的助手说，他们还有其他的打印样品，但因为在做理化性能测试，所以没法拿给记者看。
面前的这张骨片呈纯白色，质感像是刷墙的石灰。凑近看，骨片的立体结构如同缩微的棕绷床——“外框”稍厚，当中是纵横的经纬线，虽然织得疏松，但用指尖按一按，整个薄片似乎颇能承重。
3D打印的原理就像一点点堆土——通过墨粉的层层堆积，二维的平面图形就能被堆叠出立体结构。同样，通过打印，如果能将足够多的人工骨片“垒”起来，就有望形成一根骨头。
记者眼前的这块薄片，出自一台常规的3D打印机，但与制造塑料小兵、手机壳等的3D打印机相比，“骨打印”的含金量更多是在“墨粉”上。它必须快速凝结、固化，且有足够强度，因为手术后，人工骨需要维持在植入部位不能变形。但它又不能像快干胶那样稠厚，以免堵住打印喷头。
更关键的是，通常3D打印机打印的塑料、金属等，都不具备足够的生物相容性。而人工骨在植入身体后，不能刺激细胞，不能致病、致畸、致癌，甚至要与人体完全融合。
刘昌胜说，这是人工骨的难点与优势：与骨断面结合后，新生的骨细胞、血管等就可以慢慢渗入植入部分，并与之牢牢结合；久而久之，植入部分还会慢慢降解、被组织吸收，引导新骨形成，此时，“真骨假骨”将合在一起，达到最佳的力学和生理功能。
从“揉面团”起步
在制造人工骨“墨粉”方面，刘昌胜有多年的积累。他率队研发的第一代的人工骨，就是一种粉末材质。
刘昌胜说，在手术台上，医生打开包装，将人工骨粉末与适量水混合、搅拌，就能得到一个特殊的“面团”。随后，面团被填入病人的骨损伤部位；因为具有可塑性，再复杂的骨断面，“面团”都能与之吻合。
这个过程多少有些像用水泥补墙。事实上，刘昌胜本人就把他的发明称为“骨水泥”。但医生这位特殊的“泥水匠”的手法必须足够快，因为在几分钟内，“面团”就会固化，变得坚硬起来。
人工骨粉末是多种磷酸钙的混合物。这些物质该如何配比，是骨水泥研究的要害之一。刘昌胜说，配比稍有变化，它们遇水后发生的化学反应就有可能变化，甚至产生不利的副产物。此外，骨水泥的粉末原料制备也很有讲究。围绕这一系列技术，刘昌胜团队申请了十几项发明专利。
在被大量动物试验和临床试验验证安全性和有效性之后，1998年，刘昌胜牵头联合上海中山医院研究成功的人工骨产品，被国家药监部门批准放行，这是我国第一张为无机骨水泥颁发产品注册证。2003年，这项研究得到了国家科技进步二等奖。
刘昌胜说，骨水泥推广的过程，让他无数次体会到身为研究者的价值。那不仅仅是一次次手术，而是让一条条伤腿恢复健康，让一个个佝偻的脊梁再次挺直，让一个个泪水浸透的家庭重获阳光。
刘昌胜说，研发骨水泥，涉及大量的基础研究和工程问题，考验研究者的能力和毅力：“病人带来的感动是我坚持的动力。”
多年来，为救治更多类型的病患，刘昌胜不断丰富骨水泥的科技内涵。从最初的粉末型产品，发展到骨水泥“预制件”，可用于微创手术的注射剂型，能加载抗感染、抗肿瘤药物的新一代骨水泥产品。但他仍有遗憾。
打印并非唯一方向
2012年，刘昌胜获得国家纳米973项目资助，成为项目首席科学家，研究用多级微纳结构生物材料促进骨组织快速修复。为了这个课题，他设计了一个标识：大段骨缺损的修复。
刘昌胜解释说，尽管骨水泥已能适用于近半数的骨科疾患，但对于大段的骨头缺损则显得力不从心。
为了与人体自身骨组织融合，研制的大块人工骨中间，必须留有一个密布细小孔隙的空腔，以利于新生的组织和血管长入，增加缺损部位骨再生的营养输送。骨头越大，传输的距离越长，孔隙结构也越复杂。要做出这种骨头，靠医生在手术台上捏“面团”，或者事先用模具、烧结等常规方法制备，都几乎不可能。
3D打印也许是救治这类病人的出路之一。因为再复杂的立体结构，在3D打印机面前，都只是二维图形的堆叠。
刘昌胜也告诉记者，3D打印并非新一代人工骨研究的唯一方向。除了解决结构问题，他还希望进一步引入干细胞和生物活性因子，为人工骨增添更多治疗功能。比如，他正在研究一种能促进骨组织生长的蛋白，临床研究显示，含有这种蛋白的人工骨能让某些严重骨折病人的愈合时间缩短1/2。
坦白说，3D打印骨头的课题还处于很早期，充满了各种不确定性。比如，目前的骨水泥技术虽然相对成熟，但它完全是一种无机材料，而为了帮助“骨墨粉”更好地满足打印要求，也许就要加入一些有机成分。而且，一旦改变配方，就需要大量的基础研究，以及临床验证。
但对科学家而言，挑战本就是他们的职责和兴趣所在。更何况，打印一根骨头，这个主意赋予了浓郁的后工业化色彩，多么让人着迷。
“堆叠”出硬骨头
在刘昌胜的办公室，记者见到了打印的人工骨。确切地说，现在它还只是一个很原始、很早期的雏形，是一片比硬币还薄、大半张邮票大小的长方形切片。
刘昌胜的助手说，他们还有其他的打印样品，但因为在做理化性能测试，所以没法拿给记者看。
面前的这张骨片呈纯白色，质感像是刷墙的石灰。凑近看，骨片的立体结构如同缩微的棕绷床——“外框”稍厚，当中是纵横的经纬线，虽然织得疏松，但用指尖按一按，整个薄片似乎颇能承重。
3D打印的原理就像一点点堆土——通过墨粉的层层堆积，二维的平面图形就能被堆叠出立体结构。同样，通过打印，如果能将足够多的人工骨片“垒”起来，就有望形成一根骨头。
记者眼前的这块薄片，出自一台常规的3D打印机，但与制造塑料小兵、手机壳等的3D打印机相比，“骨打印”的含金量更多是在“墨粉”上。它必须快速凝结、固化，且有足够强度，因为手术后，人工骨需要维持在植入部位不能变形。但它又不能像快干胶那样稠厚，以免堵住打印喷头。
更关键的是，通常3D打印机打印的塑料、金属等，都不具备足够的生物相容性。而人工骨在植入身体后，不能刺激细胞，不能致病、致畸、致癌，甚至要与人体完全融合。
刘昌胜说，这是人工骨的难点与优势：与骨断面结合后，新生的骨细胞、血管等就可以慢慢渗入植入部分，并与之牢牢结合；久而久之，植入部分还会慢慢降解、被组织吸收，引导新骨形成，此时，“真骨假骨”将合在一起，达到最佳的力学和生理功能。
从“揉面团”起步
在制造人工骨“墨粉”方面，刘昌胜有多年的积累。他率队研发的第一代的人工骨，就是一种粉末材质。
刘昌胜说，在手术台上，医生打开包装，将人工骨粉末与适量水混合、搅拌，就能得到一个特殊的“面团”。随后，面团被填入病人的骨损伤部位；因为具有可塑性，再复杂的骨断面，“面团”都能与之吻合。
这个过程多少有些像用水泥补墙。事实上，刘昌胜本人就把他的发明称为“骨水泥”。但医生这位特殊的“泥水匠”的手法必须足够快，因为在几分钟内，“面团”就会固化，变得坚硬起来。
人工骨粉末是多种磷酸钙的混合物。这些物质该如何配比，是骨水泥研究的要害之一。刘昌胜说，配比稍有变化，它们遇水后发生的化学反应就有可能变化，甚至产生不利的副产物。此外，骨水泥的粉末原料制备也很有讲究。围绕这一系列技术，刘昌胜团队申请了十几项发明专利。
在被大量动物试验和临床试验验证安全性和有效性之后，1998年，刘昌胜牵头联合上海中山医院研究成功的人工骨产品，被国家药监部门批准放行，这是我国第一张为无机骨水泥颁发产品注册证。2003年，这项研究得到了国家科技进步二等奖。
刘昌胜说，骨水泥推广的过程，让他无数次体会到身为研究者的价值。那不仅仅是一次次手术，而是让一条条伤腿恢复健康，让一个个佝偻的脊梁再次挺直，让一个个泪水浸透的家庭重获阳光。
刘昌胜说，研发骨水泥，涉及大量的基础研究和工程问题，考验研究者的能力和毅力：“病人带来的感动是我坚持的动力。”
多年来，为救治更多类型的病患，刘昌胜不断丰富骨水泥的科技内涵。从最初的粉末型产品，发展到骨水泥“预制件”，可用于微创手术的注射剂型，能加载抗感染、抗肿瘤药物的新一代骨水泥产品。但他仍有遗憾。
打印并非唯一方向
2012年，刘昌胜获得国家纳米973项目资助，成为项目首席科学家，研究用多级微纳结构生物材料促进骨组织快速修复。为了这个课题，他设计了一个标识：大段骨缺损的修复。
刘昌胜解释说，尽管骨水泥已能适用于近半数的骨科疾患，但对于大段的骨头缺损则显得力不从心。
为了与人体自身骨组织融合，研制的大块人工骨中间，必须留有一个密布细小孔隙的空腔，以利于新生的组织和血管长入，增加缺损部位骨再生的营养输送。骨头越大，传输的距离越长，孔隙结构也越复杂。要做出这种骨头，靠医生在手术台上捏“面团”，或者事先用模具、烧结等常规方法制备，都几乎不可能。
3D打印也许是救治这类病人的出路之一。因为再复杂的立体结构，在3D打印机面前，都只是二维图形的堆叠。
刘昌胜也告诉记者，3D打印并非新一代人工骨研究的唯一方向。除了解决结构问题，他还希望进一步引入干细胞和生物活性因子，为人工骨增添更多治疗功能。比如，他正在研究一种能促进骨组织生长的蛋白，临床研究显示，含有这种蛋白的人工骨能让某些严重骨折病人的愈合时间缩短1/2。
坦白说，3D打印骨头的课题还处于很早期，充满了各种不确定性。比如，目前的骨水泥技术虽然相对成熟，但它完全是一种无机材料，而为了帮助“骨墨粉”更好地满足打印要求，也许就要加入一些有机成分。而且，一旦改变配方，就需要大量的基础研究，以及临床验证。
但对科学家而言，挑战本就是他们的职责和兴趣所在。更何况，打印一根骨头，这个主意赋予了浓郁的后工业化色彩，多么让人着迷。