杜克大學開發出修復膝蓋損傷的3D列印軟骨模擬材料

OFweek3D列印網訊 近日，來自北卡羅來納州杜克大學的一組研究人員正在開發一種新穎的生物3D列印材料，可以用於為患者創建特異性軟骨植入物。創新的軟骨模擬材料由水凝膠混合物製成，可用於3D列印半月板植入物修復受損的膝蓋。

對於遭受膝傷的任何人來說，都需要在其生活中佩戴膝蓋支架，杜克大學的消息將會非常激動人心。最近在ACS生物材料科學與工程雜誌發表的一篇文章中，杜克大學的一個研究團隊描述了其開發基於水凝膠的材料的過程，該材料可以3D列印到定製的軟骨模擬結構中。

雖然該項目還處於初期階段，但研究人員確實證明了如何將300美元的低成本3D印表機用於將生物相容性材料3D列印為半月板狀結構，然後將其植入膝蓋塑料模型。

杜克大學化學副教授Benjamin Wiley解釋說：「現在我們已經非常容易地在一個相對簡單和廉價的過程中列印出與軟骨機械性能相當接近的物體。」

對於那些不熟悉人類膝蓋解剖結構的人來說，Menisci是一對基於軟骨的「減震器」，位於大腿和脛骨之間。當我們運動時，它們基本上負責緩衝和保護我們的骨骼。但是，當我們的半月板保護我們的膝蓋時，它們不會破壞自身，因為即使輕微的膝蓋損傷也可能損傷軟骨，導致疼痛，並可能引起關節炎等病症。

目前，用於修復或更換損傷的半月板的治療方法是有限的，但是現有的植入物不如原始軟骨那樣強壯或者不完全生物相容。杜克大學正在進行的這項研究希望能夠提供一種適合替代現有治療方法，即提供生物相容性和強度的治療方法。

在生物醫學領域內，水凝膠的益處越來越明顯，因為生物相容性材料具有與軟骨相似的分子結構。然而，這些材料仍然存在一些挑戰。「目前可用的凝膠真的不如人體組織那麼強，一般來說，當它們從印表機噴嘴擠出時，它們不會停留在一起，因為它們主要是水，所以它們會遍布整個地方，」Wiley說。

杜克研究項目正在應對這些挑戰，並發現了一種創新的方法來克服這些挑戰，至少在3D列印方面。該團隊的研究人員Feichen Yang一直在嘗試將兩種不同類型的水凝膠混合在一起：一個堅硬而強壯，另一個柔軟而有彈性。

通過使用「雙網路」技術組合兩個水凝膠，該團隊能夠創建一個可以調整以具有特定屬性的材料。然後，通過向混合物中加入納米顆粒粘土，能夠使水凝膠混合物支持3D可列印。正如研究人員解釋的那樣，粘土使水凝膠混合物在剪切應力（如擠出）時變成液體，然後在應力消失時固化。

通過他們的研究，研究人員希望，將來有一天，使用軟骨模擬材料可以為待植入患者3D列印定製的形狀。對於半月板處理，列印定製形狀可以提供很大的好處。如Wiley所言：「形狀對於半月板來說非常重要。在很大的壓力下，如果它不完全符合你的話，那可能會滑落，或者讓人虛弱或痛苦。」

此外，能夠調節水凝膠的性質，使其變化（即，一端較軟，中間更強）可以允許植入物更加模模擬正的半月板，這是在使用更傳統的成型技術時不可能出現的壯舉。

儘管技術處於初期階段，但杜克大學的研究團隊已經使用塑料膝蓋模型展示了其可行性。更具體地說，團隊3D掃描塑料膝蓋模型並創建了半月板的3D模型，然後使用雙網路水凝膠3D列印。據報道，整個過程只花了一天時間，這標誌著一個新的希望的開始。

「這真的是一個剛剛發展的、有希望的領域，」Wiley評論道。「我希望這一研究結果可以輕鬆實現，這將有助於讓許多其他人感興趣，製造出更加逼真的半月板組織，使其機械性能更接近人體組織。」