杜克大学开发出修复膝盖损伤的3D打印软骨模拟材料
近日，来自北卡罗来纳州杜克大学的一组研究人员正在开发一种新颖的生物3D打印材料，可以用于为患者创建特异性软骨植入物。创新的软骨模拟材料由水凝胶混合物制成，可用于3D打印半月板植入物修复受损的膝盖。
对于遭受膝伤的任何人来说，都需要在其生活中佩戴膝盖支架，杜克大学的消息将会非常激动人心。最近在ACS生物材料科学与工程杂志发表的一篇文章中，杜克大学的一个研究团队描述了其开发基于水凝胶的材料的过程，该材料可以3D打印到定制的软骨模拟结构中。
虽然该项目还处于初期阶段，但研究人员确实证明了如何将300美元的低成本3D打印机用于将生物相容性材料3D打印为半月板状结构，然后将其植入膝盖塑料模型。
杜克大学化学副教授Benjamin Wiley解释说：“现在我们已经非常容易地在一个相对简单和廉价的过程中打印出与软骨机械性能相当接近的物体。”
对于那些不熟悉人类膝盖解剖结构的人来说，Menisci是一对基于软骨的“减震器”，位于大腿和胫骨之间。当我们运动时，它们基本上负责缓冲和保护我们的骨骼。但是，当我们的半月板保护我们的膝盖时，它们不会破坏自身，因为即使轻微的膝盖损伤也可能损伤软骨，导致疼痛，并可能引起关节炎等病症。
目前，用于修复或更换损伤的半月板的治疗方法是有限的，但是现有的植入物不如原始软骨那样强壮或者不完全生物相容。杜克大学正在进行的这项研究希望能够提供一种适合替代现有治疗方法，即提供生物相容性和强度的治疗方法。
在生物医学领域内，水凝胶的益处越来越明显，因为生物相容性材料具有与软骨相似的分子结构。然而，这些材料仍然存在一些挑战。“目前可用的凝胶真的不如人体组织那么强，一般来说，当它们从打印机喷嘴挤出时，它们不会停留在一起，因为它们主要是水，所以它们会遍布整个地方，”Wiley说。
杜克研究项目正在应对这些挑战，并发现了一种创新的方法来克服这些挑战，至少在3D打印方面。该团队的研究人员Feichen Yang一直在尝试将两种不同类型的水凝胶混合在一起：一个坚硬而强壮，另一个柔软而有弹性。
通过使用“双网络”技术组合两个水凝胶，该团队能够创建一个可以调整以具有特定属性的材料。然后，通过向混合物中加入纳米颗粒粘土，能够使水凝胶混合物支持3D可打印。正如研究人员解释的那样，粘土使水凝胶混合物在剪切应力（如挤出）时变成液体，然后在应力消失时固化。
通过他们的研究，研究人员希望，将来有一天，使用软骨模拟材料可以为待植入患者3D打印定制的形状。对于半月板处理，打印定制形状可以提供很大的好处。如Wiley所言：“形状对于半月板来说非常重要。在很大的压力下，如果它不完全符合你的话，那可能会滑落，或者让人虚弱或痛苦。”
此外，能够调节水凝胶的性质，使其变化（即，一端较软，中间更强）可以允许植入物更加模仿真正的半月板，这是在使用更传统的成型技术时不可能出现的壮举。
尽管技术处于初期阶段，但杜克大学的研究团队已经使用塑料膝盖模型展示了其可行性。更具体地说，团队3D扫描塑料膝盖模型并创建了半月板的3D模型，然后使用双网络水凝胶3D打印。据报道，整个过程只花了一天时间，这标志着一个新的希望的开始。
“这真的是一个刚刚发展的、有希望的领域，”Wiley评论道。“我希望这一研究结果可以轻松实现，这将有助于让许多其他人感兴趣，制造出更加逼真的半月板组织，使其机械性能更接近人体组织。”
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