大約在20年前，Bob Pilliar教授開始尋找合成骨的替代材料。一度，塑料、金屬和陶瓷都曾經(jīng)被認為是可用于關(guān)節(jié)置換的最新和最好的材料，但是它們對患者的疼痛緩解和活動能力的恢復(fù)是有前提的，那就是這些材料不能持久。Pilliar被稱為加拿大的陶瓷材料之父。如今，通過與另外兩位研究者攜手，已經(jīng)成為多倫多大學(xué)牙醫(yī)學(xué)院、生物材料與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院名譽教授的Pilliar找到了可以用來制造未來植入物的天然成分。要取代人造的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，他的部件必須是生物降解、持久和針對患者的特點量身定做的。

最終，研究人員們找到了一種以磷酸鈣形式存在的有效配方。這種粉末是由與人類骨骼中同樣的礦物成分組成的，它來自美國種子巨頭孟山都公司已經(jīng)放棄開發(fā)的一種可降解生物材料。經(jīng)過一番研究，Pilliar和他的同事們相信自己已經(jīng)找到了可以創(chuàng)建骨骼替代材料的正確化合物，在此之后他們需要的只是找到合適的制造方式。

為此，一位年輕的機電一體化工程師Mihaela Vlasea接下了這個任務(wù)。她是增材制造領(lǐng)域中的高手。她根據(jù)這一材料的特點和要求，專門開發(fā)出了一臺定制的3D打印機。據(jù)天工社了解，這臺設(shè)備有一個雙門冰箱那么大，它使用紫外線來將磷酸鈣粉末粘結(jié)在一起。使用這臺機器，Vlasea以針尖大小的精度在植入內(nèi)部制造管道和空腔。

形象地說，這種3D打印的骨骼植入物就像一個蟻丘，其內(nèi)部布滿了用于運送養(yǎng)分的管道網(wǎng)絡(luò)，而且這個網(wǎng)絡(luò)的出口就是植入物表面的一個個小孔。一旦植入，人體的骨細胞就會在散播開來，并與骨骼結(jié)構(gòu)機械互鎖在一起。

“我們在該部件內(nèi)部安排細孔的方式基本上能夠使自然骨在植入物內(nèi)以不同的速率生長。”她說，并補充稱該方法也可以應(yīng)用于設(shè)計燃料電池和牙科植入物。

隨著時間推移，聚磷酸鈣被人體吸收，而患者的組織和細胞則長成了人工植入物的形狀。“我們希望能夠用它來代替人工關(guān)節(jié)，和拜托所有的金屬材料。但是在短期內(nèi)，我們還只能嘗試用它來代替小塊的骨頭。”Pilliar教授說。“如果我們獲得成功，再進一步嘗試用它來生成更大的關(guān)節(jié)。

除此之外，Pilliar教授也在開發(fā)人類軟骨的替代物，如果成功，對于眾多的關(guān)節(jié)炎患者來說無疑是一大福音。

與我們的常識不同，關(guān)節(jié)炎患者實際上并不只限于城市里的老年人。這種疾病主要是由外傷、畸形的關(guān)節(jié)或運動損傷引起的。目前由于軟骨細胞不能再生，對于它的治療手段十分有限。

"現(xiàn)在，如果關(guān)節(jié)受損的話，是沒有真正的治療手段是可以刺激其修復(fù)的。”Mount Sinai醫(yī)院的病理學(xué)和實驗室醫(yī)學(xué)主任Rita Kandel：“最終，你只能依靠用金屬和塑料材質(zhì)制成的替代物。”

作為這一骨骼項目的三個主要研究者之一，Kandel曾經(jīng)與Pilliar教授和多倫多大學(xué)的研究員Marc Grynpas共同合作了二十多年。

據(jù)她說，當今這種統(tǒng)一規(guī)格的植入物的使用壽命在20到30年之前，在此之后就需要再動手術(shù)來更換新的植入物。Kandel希望通過使用患者自己的組織和細胞打造的“生物關(guān)節(jié)替換物”來解決這個問題。

為此，Kandel嘗試從患者的骨髓中提取干細胞，然后在實驗室里重新編碼，培養(yǎng)成不成熟的軟骨細胞。這批細胞經(jīng)過幾個星期的時間之后成熟，研究人員將其層積在滑鐵盧大學(xué)3D打印的鈣磷酸鹽植入物上并使其生長。據(jù)天工社了解，該植入物一旦通過手術(shù)植入體內(nèi)，就能夠自然地發(fā)揮功能，甚至可以治愈自己。

Kandel將其稱為“生物性重鋪表面（biological resurfacing）”，該技術(shù)進一步降低了植入物在植入人體之后遭受排異反應(yīng)的可能性。“如果你使用患者自己的細胞的話，它們就不會被人體認為是外來的異物。”她說并補充稱這種新型的治療手段可以從根本上阻止關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。

雖然這種定制植入物可能的價格到現(xiàn)在還不得而知，但Kandel預(yù)期該產(chǎn)品商業(yè)化之后會更加便宜，因為其使用的原材料價格很低。此外，她估計這類新型的人工關(guān)節(jié)“生物替代物”在未來十年之內(nèi)將得到廣泛應(yīng)用。

與此同時，研究人員們正在通過動物試驗來測試使用這種新方法修復(fù)小骨替代品德可行性，他們預(yù)計這一研究將還要持續(xù)兩年。