研究人员在ACS Nano发表新成果，成功开发出可3D打印的生物活性玻璃材料，用于骨修复与再生工程。该材料由二氧化硅、钙和磷离子组成，可在较低温度下打印成个性化骨支架，并在动物实验中表现出优异的骨细胞生长与整合效果。相比传统玻璃或商业替代品，这种生物玻璃具有低成本、易加工和长期生物相容性优势，为骨修复和组织再生开辟新方向。
研究人员开发可3D打印生物活性玻璃用于骨修复
在非营利组织 ACS Nano 发表的最新研究中，研究人员开发出一种可3D打印的生物活性玻璃（bio-active glass），这种材料有望成为一种高效的骨替代材料。在对兔子的实验中，这种材料比普通玻璃更能促进骨细胞的生长，并且相比一种商业化的骨替代品，还表现出更长期的骨组织生长效果。
“这项工作展示了一种简单、低成本的3D打印生物玻璃骨替代品的方法，该方法在医学和工程领域都具有广泛的应用潜力。”研究团队表示。
材料特性与打印工艺
骨骼和玻璃在机械特性上有相似之处：两者都能很好地承受重量，但由于其晶体结构的原因，在拉伸条件下都较为脆弱。不同的是，**玻璃的主要成分二氧化硅（silica）**可以被液化并通过3D打印形成精确的形状，包括与缺失骨段完美匹配的结构。
然而，传统的可3D打印玻璃通常需要使用有毒的增塑剂，或者在超过 2,000°F（1,100°C） 的极高温度下加工。为了解决这一问题，肖建如（Jianru Xiao）、陈涛（Tao Chen）、王华南（Huanan Wang）及其同事通过将带相反电荷的二氧化硅颗粒与钙离子和磷酸根离子结合，制成了一种生物活性玻璃凝胶。钙和磷酸根离子已知能够促进骨细胞生长。打印完成的形状在约 1,300°F（700°C） 的相对温和温度下于炉中硬化，从而避免了传统玻璃加工中所需的极端高温。
随后，研究人员在活体兔子身上对这种生物活性玻璃进行了测试，用其修复颅骨缺损，并将其性能与3D打印的纯二氧化硅凝胶以及一种商业牙科骨替代材料进行了比较。虽然商业产品在早期促进骨生长方面更快，但生物玻璃在更长周期内维持了细胞增殖；在8周时，大多数骨细胞已经融入生物玻璃支架，而纯二氧化硅凝胶几乎没有显示出任何生长。
研究团队强调，这种方法提供了一种低成本且简便的3D打印生物玻璃支架制备途径，突出了其在包括骨修复和再生工程在内的广泛医学应用潜力。
3D打印在骨生成中的应用
随着3D打印技术的发展，骨植入物也取得了显著进步。3D打印能够根据患者的个体情况设计特定形状的植入物，既能促进自然再生，又能减少手术次数、并发症和医疗成本。
例如，Osteopore公司与马斯特里赫特大学医学中心（Maastricht University Medical Centre, UMC+）合作，开发出一种可生物降解的植入物，旨在防止小腿截肢。研究团队利用Osteopore的3D打印技术结合CT成像，制造出一种个性化的笼状支架，材料为美国FDA批准的聚己内酯（polycaprolactone, PCL）。
这种材料模仿了松质骨（trabecular bone）的结构，并会逐渐分解为水和二氧化碳，同时促进新的骨组织生成。据报道，该植入物已在荷兰一名患者身上应用，早期结果令人鼓舞。
在新南威尔士大学（University of New South Wales, UNSW），副教授 Kristopher Kilian 和 Iman Roohani 博士 开发了一种技术，可3D打印包含活细胞的类骨结构。研究人员使用基于陶瓷的墨水，在室温下直接打印到受损区域，使其能够同时支持软骨与骨的修复，并为组织工程、疾病建模及药物测试等领域创造了新的可能性。
