关节置换“翻修”时代哪些材料更受欢迎
关振鹏（左二）正在接受手术。首钢医院供图
记者 张思伟
经过半个多世纪的发展，现代人工髋关节和膝关节置换术已在世界范围内广泛流行。据不完全统计，2019年我国人工髋关节、膝关节置换手术数量已超过95万例，并且还在以每年近20%的速度增长。
“人工关节置换手术在我国引进已经有30多年了，从关节假体的磨损情况和假体附近骨质的流失情况来看，我国即将进入‘修复’时代”大量的关节置换手术。”北京大学首钢医院副院长关振鹏在接受中国科学报采访时表示，骨缺损的治疗是翻修手术中最复杂的技术关键点之一。
近日，《 Drug 》发表了管振鹏团队与芬兰EBO学术大学张洪波教授、上海交通大学医学院附属瑞金医院崔文国教授合作在骨再生治疗领域的研究进展药品。他们首先利用静电纺丝和3D生物打印两个技术方面介绍了骨再生材料的合成策略和技术选择。
业内专家认为，这项研究不仅对材料选择和生产技术进行了系统全面的分析和探讨，更有价值的是，它结合了临床实际需求，从骨科角度讲述了对未来骨科研发产品的期望。外科医生。
骨科材料的“创新”
1965年，美国科学家Urist首次提出诱导成骨理论，即具有骨诱导特性的生物材料可以诱导骨髓干细胞趋化并分化为骨细胞，诱导骨细胞局部分泌矿化基质和胶原蛋白，从而形成新骨。 ，在非骨骼环境中形成骨骼。
随着学术界对骨替代材料研究的不断深入，已开发出多种骨替代材料，包括同种异体骨、脱矿骨基质、合成骨传导生物材料等。
目前，对于非受力区域的小范围骨缺损，骨科的“金标准”是同种异体骨移植，但其价格相对昂贵，且只适合填充较小或非承重区域。
对于大面积、负重骨缺损的治疗，业界最初采用骨水泥和骨片直接填充，但长期效果并不理想。即使先在骨缺损处加螺钉固定，效果仍然不佳，因而逐渐被临床淘汰。
“现在，我们经常使用的是一种叫做钽的金属，它的内部结构与人体骨骼结构非常相似，具有‘小梁结构’，骨组织嵌入钽后可以很好地生长。同时，无论是“无论是机械应力、密度还是金属惰性，都非常适合作为植入物。”关振鹏表示，目前，钽金属制成的“小垫片”已成为骨科翻修手术的主流材料选择。
但钽垫片也有局限性。
“首先，钽非常昂贵，一个小小的垫子就需要几万元；其次，钽的密度比骨头大，骨缺损修复材料与骨头的密度差异是主要决定因素骨缺损修复的长期影响因素。”崔文国认为，骨再生材料的研究不能简单地探索新材料，还必须从新的制造工艺中寻求解决方案。
新生产工艺带来“机遇”
近年来最流行的3D打印技术给骨科带来了“新视野”。
据论文作者之一、北京大学首钢医院骨科硕士生王一川介绍，国内企业已经利用钛合金进行3D打印，制备骨缺损材料和具有小梁结构的植入物。 “在保证骨缺损部位机械应力的情况下，骨组织可以嵌入生长，而且材料价格相对实惠，远期效果也比较理想。”
但这也带来了一个问题：嵌入的生长物不一定是骨组织，还可以是疤痕或其他软组织。
“如何让填充材料更好地嵌入和生长？我们需要制作一个具有结构特征、模拟体内局部微环境的‘支架’。这时，我们想到了制备微纳米纤维的静电纺丝技术。”关振鹏说道。
所谓静电纺丝技术是指对针内的聚合物液体施加高电压，使针内的液体带电。由于电荷相互排斥并与接地端相互吸引，液体可以克服表面张力并从针中喷射出来。获得纳米或微米级的细丝。
目前，静电纺丝技术利用喷丝头和收集器并调整参数，生产出中空、芯套、珠状结构等不同形状的纳米纤维以及不同纤维直径或其他独特结构的纳米纤维，并在骨科领域中得到应用。再生。
“为了模拟骨骼的自然生长状态，电纺纤维膜可以通过仿生粗糙度和动态压缩变量以相关方式影响成骨细胞的增殖和分化，让成骨细胞更好地增殖和粘附，达到快速成骨的目的。 ”关振鹏说道。
然而在临床工作中，不少关节置换患者都伴有严重的骨质疏松。
“植入物周围骨骼的质量直接决定手术效果，因此在植入的假体或支架上装载有利于骨骼再生的活性成分是一种非常好的方法。”王一川说道。
仍需接受临床实践的“检验”
尽管静电纺丝和3D生物打印在生产复杂结构方面具有巨大潜力，但它们还需要针对临床应用进行技术改进。
“我们需要深入研究材料负载水平对力学和生物性能的影响，将宏观的3D打印支架与微观的微纳米纤维相结合，实现宏观的新组织向内生长和微观的细胞行为调控，并寻求静电纺丝和微纳米纤维的解决方案。微观微纳米纤维。 3D生物打印支架的平衡以确保最佳性能。 在材料方面，材料需要满足特定的要求，以确保制造方法高效且有效地运行。将静电纺丝与3D生物打印技术相结合，获得优化的纳米材料增强骨组织工程支架，进而优化该组合，实现了宏观与微观的统一。”关振鹏说道。
此外，张洪波认为，应利用分子生物学方法进一步探究诱发生物现象的详细机制，然后从分子机制上加以证实，以提升静电纺丝和3D生物打印支架工程优化产品的性能；同时，需要充分利用现有的静电纺丝和3D生物打印支架来复制多功能支架并节省设计成本。
当然，任何新技术、新材料要实现临床转化，最重要的是要在临床上得到验证。其安全性和有效性需要未来几十年在临床实践中不断总结。
骨水泥一直是骨科最常用的“胶水”。它是一种用于固定植入物和骨骼的粘合剂，但它最终与人体的主要应力组织——骨组织有很多不同。关振鹏希望，“在骨科假体置换和骨缺损修复领域，我们追求一种纯自然的状态，即患者术后完全恢复健康，整个生命过程中不需要进行二次手术翻修或取出植入物。”生活”。