韩国成均馆大学的研究人员开发了一款手持式3D打印设备，可直接在受伤部位打印可生物降解的定制骨科植入物。这项创新技术采用聚己内酯（PCL）和羟基磷灰石（HA）材料，通过打印支架支持骨骼修复，同时促进骨细胞生长。该设备可快速硬化形成支架，适应各种骨缺损形状，并可在植入物中加入抗生素，防止感染。经过实验，打印支架在兔子模型中显示了良好的骨整合性和机械稳定性，且未引发异常炎症。这项技术为个性化骨科治疗提供了新可能，未来可能成为手术室中实时打印骨植入物的解决方案。
成均馆大学的研究人员开发了一款手持式3D打印设备，能够在受伤部位直接打印可生物降解的骨科植入物。
该项目由成均馆大学的郑胜利教授领导，研究方法在兔子的大骨缺损模型中进行了测试，结果显示，这种设备能够提供结构支持，同时促进更强、更自然的骨生长，尽管粘附性和长期强度仍需改进。
该设备的工作原理类似于胶枪，能够挤出一种温暖的聚己内酯（PCL）和羟基磷灰石（HA）混合物，PCL是一种可生物降解的聚合物，而HA是一种天然骨中存在的矿物。外科医生可以引导喷嘴填充不规则的骨缺损空隙，且材料迅速硬化成适合缺损的支架。
正如《Device》杂志中所描述的，这种支架将骨骼固定在适当位置，并随着身体逐渐用新组织替代它而逐渐分解。与需要预先成型且可能无法精确匹配缺损的预制植入物或骨水泥不同，打印的材料直接在现场形成，能够适应每个受伤部位的独特几何形状。
该研究不仅由成均馆大学提供支持，还得到了哈佛医学院（HMS）、仁川国立大学（INU）、韩国科学技术院（KAIST）、韩国大学（KU）、麻省理工学院（MIT）和首尔国立大学（SNU）的贡献。
矿物成分对强度的调节
为了了解材料成分如何影响性能，研究人员调整了HA在混合物中的比例。增加HA使支架更强且分解速度更慢，同时也促进了骨细胞的生长。
在实验室研究中，生长在富含HA的支架上的人类干细胞沉积了更多的钙，并表现出比没有HA的支架更显著的骨生长相关基因表达，例如骨粘附蛋白和骨钙素。这些发现表明，该材料不仅能够填补空间，还能积极支持骨骼再生的过程。
测试还集中在材料如何承受物理压力。打印的支架能够承受生理相关的压力，并在模拟的循环负载下保持稳定，比如步态产生的负荷，而不会分解。
由于感染是植入物失败的常见原因之一，研究人员还探讨了支架是否能够释放抗生素。通过将庆大霉素或万古霉素混入材料中，他们制造了能够在数周内缓慢释放药物的植入物。
在与细菌的对比测试中，载有庆大霉素的支架有效防止了大肠埃希菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的生长。对大肠埃希菌的抑制区达到了38.8 ± 3.4毫米，几乎是载万古霉素支架的14.0 ± 0.9毫米的三倍，显示了这种植入物能够在愈合过程中保护免受并发症的影响。同样，对于金黄色葡萄球菌，只有载庆大霉素的支架有效，抑制区为22.63 ± 0.75毫米，而万古霉素则几乎没有效果。
该方法随后在兔子模型中进行了评估，研究者使用了约1厘米长的股骨缺损，这种缺损过大，无法自然愈合。一些兔子接受了打印支架治疗，另一些则使用了商业骨水泥。12周后，两个组别的兔子都显示了与周围骨骼的整合，但结果有所不同。
接受打印支架治疗的兔子骨组织更密集，胶原结构更有组织。成像结果显示，与水泥组相比，打印组的骨体积和表面积明显更大。机械稳定性也有所提高，极惯性矩和回转半径等指标在打印组中也更高。
值得注意的是，这些植入物没有引发异常的炎症或组织损伤。
尽管这些支架在三个月内并未完全愈合缺损，但它们通过结合强度、生物降解性和生物活性显示出了明显的优势。调整PCL和HA的比例可以根据不同的需求量身定制材料，添加抗生素则提供了防感染的保护。
研究人员指出，虽然粘附性、打印精度和大动物研究仍需改进，但这些发现为未来外科医生可能在手术室内使用便携打印机直接在损伤的骨骼内部打印植入物提供了希望，这样不仅能提供稳定性，还能引导自然修复。
骨科3D打印技术的进展
3D打印技术已经推动了骨科植入物的发展，它允许根据患者的具体需求设计植入物，促进自然再生，同时减少手术次数、并发症和成本，且使用的生物兼容材料能够在体内安全降解。
在与马斯特里赫特大学医学中心（UMC+）的合作中，Osteopore开发了一款可生物降解的植入物，旨在预防下肢截肢。结合CT成像技术和Osteopore的3D打印技术，团队生产了个性化的笼状支架，这些支架采用FDA批准的聚己内酯（PCL）材料。
这种材料模仿了骨小梁的结构，并逐渐分解为水和二氧化碳，同时促进新骨的形成。据报道，这种植入物已被放置在荷兰一位患者体内，初步结果令人鼓舞。
在新南威尔士大学（UNSW），Kristopher Kilian副教授和Iman Roohani博士开发了一种技术，可以3D打印含有活细胞的骨骼类结构。通过使用陶瓷基墨水，他们能够在室温下直接打印到损伤区域，这使得支持软骨和骨骼修复成为可能，同时为组织工程、疾病建模和药物测试创造了新的机会。
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