在复杂的骨科手术中，每一秒都很关键。伤口暴露时间越长，越容易发生感染和损伤。现在想象一下：外科医生可以直接在手术室中将新的骨骼打印到患者体内。这种曾经遥不可及的梦想，正随着一种手持式3D骨打印机（类似于胶枪，但打印的是活骨支架而非胶水）而逐渐成为现实。
研究人员已经开发出一种小型骨3D打印工具，使医生能够在手术过程中直接在骨折或骨缺损处"绘制"可生物降解的植入物。这项研究进展发表在《Device》期刊上，由韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University)的生物医学工程师Jung Seung Lee领导的研究团队撰写。
手持式骨打印机的工作原理
这种新工具的关键特点是其简单性。该设备采用热熔挤出技术，加热并挤出聚己内酯(PCL)和羟基磷灰石(HA)的混合物，这种混合物能更接近地模拟人类骨骼的强度和结构。PCL是一种柔软且具有弹性的可生物降解聚合物，可在低温下熔化，因此也能适应骨骼的复杂形状。HA是构成真实骨骼一半以上的相同矿物质，有助于提供硬度并支持新骨细胞的生长。
研究人员成功开发出在约80摄氏度熔化的PCL/HA棒材，这一温度足以创建坚固的承重结构，同时又足够低以防止对周围组织造成损伤。外科医生可以手动控制喷嘴，在实时操作中塑造骨移植体，使其精确地嵌入缺损处，无需预先成型的模具或准备时间。
Lee表示："由于该设备小巧且手动控制，外科医生能够在手术过程中实时改变打印方向、角度和深度。整个手术过程只需几分钟，从而缩短手术时间并提高效率。"
更安全、更清洁的骨修复方法
传统的骨修复植入物依赖金属材料、供体组织或预先成型的3D打印部件，以便能够放置在缺损处。这些材料无法适应每一种不规则的断裂或不均匀的曲率，此外在加工过程中还需要使用可能残留在体内的溶剂或化学物质。手持式系统则不存在这些问题，因为它直接在体内打印，不会产生残留废物，是一种更清洁、更快速的选择。
测试表明，适当的复合材料混合比例（即50H配方）中HA含量约为25%。更高的比例会增加脆性并堵塞喷嘴。这种工程复合材料是一种耐用材料，能够承受超过100,000次压缩循环，相当于数周的行走或运动。与不会改变位置的DIY水泥填充物不同，打印的支架会被患者的骨骼降解和吸收。
在促进生长的同时对抗感染
骨科手术有众所周知的术后感染风险，植入外来材料会增加这种风险。为了解决感染问题，Lee的团队在PCL/HA丝材中嵌入了两种常用抗生素——万古霉素(vancomycin)和庆大霉素(gentamicin)。当支架被打印出来时，它会缓慢释放万古霉素和庆大霉素，在数周内使伤口部位浸泡在抗感染剂中。
Lee强调："与系统性递送抗生素相比，这种局部递送策略提供了显著的临床优势，因为它可能减少副作用并降低抗生素耐药性的发展。"
除了对抗感染外，生物材料本身还能刺激新骨生长。体外研究表明，当干细胞在支架上培养时，它们会更快地沉积钙，并表达更高水平的重要成骨基因，包括骨桥蛋白(osteopontin)和I型胶原α2(collagen type 1 alpha 2)。
成骨细胞的最原始形态——前成骨细胞(pre-osteoblast cells)在该材料上也表现出强健的生长，支架使这些细胞随着时间的推移持续增殖。这些观察结果表明，打印的支架不仅提供物理支持，还为愈合提供生物支持。
在活体组织中的测试
为了观察该设备在现场的表现，研究人员在股骨完全骨折的兔子身上测试了该设备。他们将可生物降解的支架直接打印到骨头上的一厘米间隙中，并将结果与传统的骨胶进行比较。在12周的愈合期结束时，使用打印材料治疗的兔子没有显示出感染或坏死组织的迹象。相反，骨愈合已经启动。
显微镜检查显示，在打印支架附近的区域出现了密集的胶原网络和有组织的骨基质，证明植入物的整合实际上是自然组织的整合。
Micro-CT成像证实，与对照水泥相比，支架经历了更复杂骨的形成，具有更大的表面积和更优越的机械性能。这些进步强化了这样一个观点：打印材料可以更有效、更安全地恢复功能。
个性化骨修复的未来
通过该系统获得的多功能性指向未来骨修复的完全定制体验。通过调整PCL与HA的比例，医生将能够操纵植入物的硬度和降解性。
这可能导致外科医生能够为精细的面部骨骼或大型承重段设计支架。此外，打印机内部包含的PTC芯片将提高过程中的热控制精度，并防止附近活组织的损失。
尽管研究仍处于动物实验阶段，但研究团队已准备好进行人体试验；然而，在进入医院之前，它仍必须满足制造要求和消毒协议的需求。如果成功，这项技术可能成为外科医生修复创伤损伤、先天性骨缺损甚至需要多次手术的复杂骨折的新选择。
研究的实际应用
这种便携式3D骨打印机可能会重塑骨科护理的未来。与其使用其他公司先前设计的植入物，骨移植体可以在几分钟内为特定患者创建。这减少了手术时间、降低了感染风险，同时自然地促进患者愈合。
此外，由于能够在手术过程中给药抗生素，系统性抗生素的需求可以减少，从而降低耐药性和副作用。所有这些意味着患者恢复更快、并发症更少，最终在医院的时间也更少。
从研究角度看，这种新方法的使用为再生医学、个性化手术以及工程与愈合之间的桥梁开辟了新的大门。
研究结果发表在《Cell: Device》期刊上。
【全文结束】
