滑雪时摔断的骨头通常能自行愈合。但如果骨折太严重，或者需要切除骨肿瘤，外科医生就会植入一种植入物，让骨头重新长在一起。
植入物通常包括患者自身的骨块（称为自体移植物），或金属/陶瓷部件。如今许多植入物的一个主要缺点是，获取自体移植物需要进行第二次手术。此外，金属植入物往往过硬，且随着时间推移可能松动，影响稳定性。
将生物学纳入考量
更关键的是，骨骼是一个极其复杂的器官，内部布满无数隧道和空腔。“要正确愈合，必须将生物学融入修复过程，”苏黎世联邦理工学院生物材料工程学教授秦晓华说。成功的修复依赖于多种细胞类型，这些细胞必须先定殖到植入物上，然后才能形成新的骨组织。
这促使这位ETH研究员采取新策略：秦晓华与团队以及ETH教授拉尔夫·穆勒共同创造了一种适用于未来植入物的新型水凝胶。这种水凝胶像果冻一样柔软，能在体内逐渐溶解，并可能用于个性化骨植入物。描述这一进展的研究近期发表在《先进材料》期刊上。
愈合始于软材料
研究人员解释，在自然骨愈合的初始阶段，身体首先使用一种软材料。骨折后的头几天，会形成血肿，这种血肿具有渗透性，便于修复细胞和免疫细胞的迁移以及营养物质的输送。纤维蛋白网络将这些细胞结合在一起。这种初始的软结构逐渐转化为坚硬的骨头。
水凝胶模拟了这种自然骨愈合过程。它由97%的水和3%的生物相容聚合物组成。为了使它固化，研究人员引入了两种特殊分子：一种用于连接聚合物链，另一种在光照下会触发反应。
秦晓华和穆勒的前博士生邱婉婉专门为这种应用开发了连接分子。“它能够在亚微米范围内快速结构化水凝胶，”她说。当特定波长的激光脉冲照射到水凝胶时，聚合物链立即连接起来。被照射的区域瞬间凝固，而未照射的部分之后可以被洗掉。
果冻能以世界纪录速度固化
通过这种方式，研究人员可以用激光束以极高的分辨率和精确度在水凝胶中打印出任意形状和结构。这些结构可以小至500纳米。
“水凝胶就像果冻，很难塑形，”ETH教授秦晓华说。“借助我们新开发的连接分子，我们现在不仅能稳定且极精细地构造水凝胶，还能以高达每秒400毫米的写入速度生产它。这是一项新的世界纪录。”
纳米级结构
在他们的研究中，研究人员创建了复杂、结构化的水凝胶，这些水凝胶类似于真正的骨骼，并具有精细的骨小梁网络。他们以医学影像为模板。
即便是健康的自然骨骼，也被一种仅厚纳米级且充满液体的精细通道网络纵横交错。“一块骰子大小的骨头中含有74公里的隧道，”秦晓华说。作为对比，世界上最长的铁路隧道——圣哥达基线隧道——长度为54公里。
材料具有生物相容性
到目前为止，研究人员仅在一支试管中测试了这种材料。结果显示，成骨细胞迅速定殖到结构化的水凝胶上，并开始形成胶原蛋白——骨骼的关键成分。测试还证实该材料具有生物相容性，不会损伤成骨细胞。研究人员已为基础材料申请了专利，并计划将其提供给医疗行业。
研究人员公开的目标是，这种基于水凝胶的植入物有朝一日能用于临床修复骨折。然而，还需要更多工作。秦晓华正准备与达沃斯AO研究所合作进行动物实验。团队希望确定，这种新型骨修复材料是否能促进活生物体中成骨细胞的迁移，以及能否随着时间的推移恢复骨骼强度。
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