骨科植入界冉冉升起的新星竟是“玻璃”!

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目前来说,无论是哪种人工材质的植入物,抑或是动物骨骼、人体自身骨骼,手术后都容易引发感染。所以近年来,科学家一直致力于寻找一种有弹性、可弯曲、更坚固且不易引发感染的材料应用于人体骨骼植入领域。经过不懈努力,科学家们终于发现了这种与人体免疫系统兼容并直接结合骨组织的材料,并在未来大有可能替代人体骨骼,它就是“玻璃”。

目前来说,无论是哪种人工材质的植入物,抑或是动物骨骼、人体自身骨骼,手术后都容易引发感染。所以近年来,科学家一直致力于寻找一种有弹性、可弯曲、更坚固且不易引发感染的材料应用于人体骨骼植入领域。经过不懈努力,科学家们终于发现了这种与人体免疫系统兼容并直接结合骨组织的材料,并在未来大有可能替代人体骨骼,它就是“玻璃”。

这个“玻璃”并不是传统意义上的玻璃,而是生物(活性)玻璃,当其中的钠溶解时,缓慢释放出的钠离子能够杀死组织中的细菌。所以在某些情况下,生物玻璃能起到温和的抗菌作用,从而消除伤口感染。

伦敦帝国学院生物玻璃专家Julian Jones说,将生物玻璃放在体内时,它开始溶解并释放出离子,这些离子能够兼容人体免疫系,也能够溶于细胞。这意味着身体不会认为这种材料是外来物,所以能够粘合到骨骼和软组织中,从而刺激新骨骼的生长。

生物玻璃是由美国科学家Larry Hench于1969年发明的,最初是受到一位从越南战场回来的上校的启发。他告诉Hench,现代医疗技术可以挽救生命却无法挽救人的肢体。于是,Hench开始研究不会被人体排斥的仿生材料。后来,Hench将他的研究成果带到了伦敦。在英国,生物玻璃开始“大显身手”,涉及矫形外科和牙科等领域。

然而,生物玻璃第一次应用于人体骨骼植入应该是2002年。当时,一位因车祸致眼眶底骨骨折的年轻人先后经过两次材料和自身肋骨植入手术后均出现感染。因缺失眶底,这名年轻人的眼睛向后移动到头骨中,导致视力模糊和焦点不足,甚至影响他正常的工作。为了使这名患者重建眶底,伦敦国王学院面部重建专家Ian Thompson为其打造世界上第一款玻璃植入物,将生物玻璃做成一个薄板,从患者眼睛下方插入眶底。患者在手术后恢复了视觉和空间感,至今没有出现任何并发症。

在过去十年中,生物玻璃继续在不同领域发挥其积极的作用。外科医生使用粉状的生物玻璃修复骨裂;同样的粉状生物玻璃还被用于各种具有牙齿修复和保护作用的牙膏中。在刷牙过程中,生物玻璃溶解并释放出与矿物结合的磷酸钙离子。随着时间的推移,这些物质能够慢慢刺激牙齿再生长。但是,真正能使生物玻璃发挥最大作用的还是在对骨骼和关节进行的植入手术中。

Jones博士研发的新型材料包括一种名为“弹性生物玻璃”的材质。它类似于当前的生物玻璃,但其化学成分的微妙变化使它不再脆弱,就像弹力球一样。如果将它植入坏腿之中,不仅能够支撑患者的体重,允许他们在没有拐杖的情况下行走自如,而且不需要任何额外的金属或植入物固定。同时,这种“弹性生物玻璃”也将刺激和引导人体骨骼再生,材料本身也能够被入体缓慢自然地吸收。

新材料像橡胶一般充满韧性,完全可用于软骨修复。目前,外科医生通过关节镜下微骨折手术来修复受损的髋关节或膝关节软骨。在损伤区域上移除受损软骨,然后刺穿骨骼,刺激骨髓释放出干细胞,干细胞再与血液凝结长成平滑坚固的修复组织。但是,这种方法可能导致疤痕软骨,并且在几年内又出现同样的问题。

Jones博士正试图使用3D打印的生物玻璃来替代软骨。为了测试其有效性,他利用生物玻璃开发了一个模拟人体行走及弯曲的膝盖模拟器,以确保生物玻璃能像真的关节一样运作。下一步,他们将进行动物临床试验。

除此之外,这种生物玻璃也可用于治疗腰椎间盘突出,比现行的骨移植物更灵活。外科医生可以采用3D打印的生物玻璃用于替代功能障碍的腰椎间盘。然而这些都只是开始,未来,这种可以融入人体的人造新材料将会成为外科手术甚至全部医疗领域中重要的一部分。

(环球医学编辑:石 岩)

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