文／ 陳琳張玉琪（ 清華大學玉泉醫院） 崔福齋（ 清華大學材料學院）
3D 列印是近幾年的熱門話題， 和其他領域相比，3D列印在醫學領域的應用更加具有挑戰性， 原因在於醫學領域對於做這道「菜」的原材料要求比較高。骨組織是人體最重要的組織器官， 同時也最容易出現缺損。現有的多種骨缺損填充材料都有各自的局限性。異種骨和異體骨主要存在交叉感染和抗原性問題； 金屬、陶瓷或高分子製造的人工骨替代物作為永久植體， 存在著生物相容性差、不能被人體正常吸收等問題；自體骨治療效果最佳， 但供體有限且會造成患者額外痛苦。如何製備出在成分和結構上均高度仿生的骨修復材料， 是骨再生材料研究的熱點之一。
人體骨骼組裝機理三步走礦化膠原是自然界動物硬組織的基本單元， 組成了骨、牙及其他鈣化組織， 具有優異的力學和生物性能。研究發現， 它是有機大分子調控無機礦物沉積得到的基本結構單元， 通過自組裝實現從納米尺度到宏觀尺度的精確控制和裝配， 從而形成複雜且高度有序的分級結構。因此， 破解礦化纖維多級組裝機理是現代生物礦化研究的核心和前沿課題之一。但長期以來一直缺乏礦化膠原多級組裝機理的直接證據。為揭開骨骼形成機理， 清華大學再生醫學與仿生材料研究所研究團隊詳細分析了人骨痂和人胚胎骨樣本， 並與體外模擬相結合， 終於發現了礦化膠原分級組裝機理的三步驟： 第一步， 膠原分子在特定濃度和酸鹼度條件下， 自組裝成三股螺旋原膠原纖維。第二步， 鈣離子和磷酸根離子等形成礦化膠原微絲。第三步， 多根礦化膠原微絲平行結合成礦化膠原纖維束。這項成果在國際上產生了重大影響。《Nature Materials》雜誌為此
發表了評論， 認為該研究將提高人們對其他各種礦化組織中膠原調製礦化機理的理解， 並為仿生工程製備新型功能材料指明道路。仿生材料一切向真骨「看齊」揭開了骨骼礦化的原理， 接下來自然是努力模仿。我們團隊通過體外類比骨組織在體內的自組裝過程， 研製出在分級結構和成分上均與天然骨高度近似的人工骨移植材料。
在性能上， 新材料具有優秀的生物相容性、骨傳導性以及骨誘導性； 在臨床使用中， 該材料可促進骨組織的重構， 誘導新骨形成， 並伴隨骨缺損修復過程而逐漸降解，無免疫排斥性， 無異物殘留， 治療效果接近自體骨。該發明的產品已獲中國SFDA 註冊證和美國FDA 市場准入許可， 成功實現產業化。目前， 使用該產品治療的骨缺損患者已經達到十萬餘例，無一例因材料引起不良反應。組合顱骨人工骨骼的再創新顱骨缺損是顱腦損傷病人傷後及術後較常見的後遺症。以往， 人們普遍用鈦網來做顱骨修補的手術，
由於兒童的顱骨是不斷生長的， 用鈦網代替顱骨， 鈦網不能隨顱骨的生長相應擴展， 常會造成兒童頭骨變形並限制大腦發育， 因此兒童顱骨缺損需等到12 周歲以上再修補，
在等待的幾年間， 不少兒童會出現肢體功能差、斜視、面癱、頭暈、共濟失調等「減壓窗綜合症」。新型仿生骨材料具有極佳的生物相容性， 且可與缺損邊緣顱骨融合生長， 不影響兒童顱腦生長發育，是最理想的兒童顱骨修補材料。然而， 其昂貴成本也讓很多患者難以承受。為此我們又進行了新的改進， 將鈦網和仿生人工骨內板結合到一起， 它不僅增加自體成骨細胞在缺損處的修復生長， 也增加厚度， 加強對外界冷熱曬的防護， 降低了費用。尤其適用於大面積顱骨缺損的患者。