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骨頭的新材料替代

骨頭的新材料替代

玻璃似乎並不是替代人體骨骼的常用材料。但是英國外科醫生發現,生物玻璃不僅比骨骼更堅固,而且有彈性、可以彎曲,不易感染。

2002年,倫敦國王學院面部重建專家伊恩?湯普森(Ian Thompson)接到了一通緊急電話。一位二十多歲的病人在路上行走時被一輛失控汽車撞了。其頭部撞在了車前蓋上,巨大的衝擊力砸在他的臉上臉,致使其眼睛眶底骨折。

眶底骨的厚度不超過1mm,主要作用是將眼球固定在頭骨上。湯普森解釋說:“眶底的脆弱對於人類來說是一種防禦機制。但沒有眶底,你的眼睛會向後移動到頭骨中,導致視力模糊和焦點不足。”這位病人也失去了辨別色彩的能力。他的工作是為飛機重新佈線,但事故導致無法再區分出藍色電線以及紅色電線。在長達三年的時間內,他完全無法工作。

相比於新技術的誕生,這場事故發生的時間早了三年。在三年時間內,外科醫生拼命地嘗試重建眶底,將眼睛推回到原位。首先是使用材料植入物,然後是使用病人自己肋骨的骨骼。兩次手術都失敗了。每次術後幾個月都會出現感染,引起患者的極度痛苦。而現在醫生有了最終的解決方案。

湯普森的中級解決方案是打造世界上第一款玻璃植入物,將生物玻璃做成一個薄板,從患者眼睛下方插入眶底。使用玻璃這樣一種自然脆性材料來修復如此微妙的東西似乎有些違反直覺。

但這不是普通的玻璃。

倫敦帝國學院生物玻璃專家朱利安·瓊斯(Julian Jones)說:“如果你將一塊普通玻璃窗放在人體內,那麼很快就會被疤痕組織包圍,基本上過不了多久就會產生排異反應。 “但是當你將生物玻璃放在體內時,它開始溶解並釋放出離子,這些離子能夠相容人體免疫系,也能夠溶於細胞。這意味著身體不會認為這種材料是外來物,所以能夠粘合到骨骼和軟組織中,從而刺激新骨骼的生長。”

對於湯普森來說,使用新材料的效果即時顯現出來。幾乎在一瞬間,患者就恢復了視覺,能夠辨識顏色,空間感也回來了。十五年過去了,他的身體依舊很健康。

湯普森已經使用生物玻璃這種新材料成功治癒了因汽車或摩托車事故造成傷害的100多名患者。 “生物玻璃實際上要比使用患者自己的骨骼好得多,”湯普森說。 “因為我們已經發現,當生物玻璃中的鈉溶解時,會緩慢地釋放出鈉離子,從而能夠殺死組織中的細菌。所以在偶然情況下,生物玻璃起到了這種溫和的抗生素作用,能夠消除傷口感染。”

前沿材料

生物玻璃是由美國科學家拉裏·亨斯特(Larry Hench)於1969年發明的。赫斯特(Hench)發明這種材料的靈感來自於與一位從越南戰爭中返回的軍隊上校在巴士上的對話。上校告訴亨斯特,在戰場上現代醫療技術可以挽救生命,但卻無法挽救人體的肢體。亨斯特決定擱置其關於洲際彈道導彈的研究,著手設計不會被人體排斥的仿生材料。

亨斯特最終將他的研究成果帶到了倫敦。在英國,矯形外科到牙科領域領域,生物玻璃應用革新正在發生。

在過去十年中,外科醫生使用粉狀的生物玻璃修復骨裂,這種生物玻璃看起來就像砂礫泥,能夠修復骨骼上的小裂縫。自2010年以來,同樣的粉狀生物玻璃已經普及,被用於各種具有牙齒修復和保護作用的牙膏中。在刷牙過程中,生物玻璃溶解並釋放出與礦物結合的磷酸鈣離子。隨著時間的推移,這些物質能夠慢慢刺激牙齒再生長。

但是許多科學家認為,目前生物玻璃的應用還只是觸及了新材料的表面。研究人員正在利用這種新型材料開發新的臨床產品,可以徹底改變對骨骼和關節進行的外科手術。

瓊斯坐在自己位於帝國學院材料部的辦公室中,手中拿著一個小的立方體,他將其稱之為“彈性生物玻璃”。它類似於當前的生物玻璃,但有細微的變化:材料中化學成分的微妙變化使其他不再脆弱。而是像瓊斯所說的那樣,“如同孩子手中的彈力球“,非常靈活。

關鍵在於它可以植入壞腿之中。其不僅能夠支撐患者的體重,允許他們在沒有拐杖的情況下自如行走,而且不需要任何額外的金屬或植入物固定。同時,這種“彈性生物玻璃”也將刺激和引導人體骨骼再生,同時材料本身能夠被緩慢自然地吸收進入體內。

瓊斯說:“在骨折中為了能夠讓大塊骨頭再生,材料的支撐力相當重要。除此之外,植入腿內的植入物能夠將體重傳遞到每一個骨骼細胞,這一點非常重要。我們的身體在自己的構造中形成骨骼,因為細胞能夠感覺到人的體重。所以要想讓一塊大骨頭再生,就需要傳遞正確的信號。太空宇航員骨骼生長減緩的一個重要原因是因為沒有重力,細胞沒有收到與地球上重力相同的信號。“

對生物玻璃化學成分的進一步改變使得新材料有了一種不同的特性。其會變得更加柔軟,就像橡膠一般充滿韌性,完全可用於軟骨修復。

現在,外科醫生通過關節鏡下微骨折手術(microfracture)來修復受損的髖關節或膝關節軟骨。這涉及到在損傷區域上移除受損軟骨,然後刺穿骨骼,刺激骨髓釋放出幹細胞,幹細胞會與血液凝結長成平滑堅固的修復組織。但是,這種方法可能導致疤痕軟骨,並且在幾年內又出現同樣的問題。

作為一個解決方案,瓊斯正在試圖使用3D列印的生物玻璃來替代軟骨。這種情況下材料必須保留軟骨的所有天然性質。為了測試其有效性,瓊斯利用生物玻璃開發了一個模擬器。

他說:“我們模擬人體行走以及彎曲中膝蓋所做的一切,並確保生物玻璃能夠像真的關節一樣。如果一切順利,我們將進行動物臨床試驗。”

這種生物玻璃也可用於治療腰椎間盤突出。目前,外科醫生通過骨移植物來代替功能障礙的椎間盤來治療嚴重的腰椎間盤突出症。但是,雖然這消除了痛苦,但卻犧牲了靈活性。相反,外科醫生可以採用3D列印的生物玻璃用於替代功能障礙的腰椎間盤。

“似乎很明顯,”瓊斯說,“目前還沒有人能夠複製出軟骨的特性。但是用生物玻璃,我們認為我們可以做到這一點。“

“我們只能證明我們可以做到。如果一切順利,我們能夠通過所有必要的安全測試,其有望在十年內用於臨床“

可以融入人體的人造新材料似乎是未來醫療的重要組成部分。已經有數以百萬計的人用它刷牙了。

這可能只是開始。

影片《星球大戰》中有個細節不知道大家有沒有注意過,呂克天行者的手被維特砍掉後,可以直接到機器人部門更換一個完美無缺的替代品……當時科幻小白看到的時候驚呆了【笑哭】再看如今,現實中都已經實現移植靈活機動的仿生肢技術,感歎一下,科幻小說家們還是挺有預見性噠~下麵來看《科學美國人》的報導。

如果手部神經受損的殘障患者願意勇敢的選擇截肢,如今他們或許還有“換上新手”的可能。

據2008年的一項研究,美國約有160萬肢體殘疾人士,而且到2050,這一數字甚至可能會翻倍。現代醫學技術已經實現在原先因受傷或疾病成為殘肢的地方接上假肢。但是那些手臂或腿失去健全功能的人其實沒有太多選擇。不過,維也納的一個外科醫生團隊最近開發出了一種仿生手移植技術,為16名因神經受損失去手部控制和感知功能的殘障人士移植了仿生手。有一點很關鍵:患者必須先接受原先壞肢的截肢手術,給仿生肢騰地兒。

為了將各種選擇和注意事項解釋清楚,奧地利維也納大學醫學院的外科醫生Laura Hruby和她的同事們發佈了一項協議,方便病人在首次接受這項細緻的手術時做出更好的選擇,同時引導他們安穩度過這個階段。

維也納團隊把關注重點放在了臂神經叢受損,即無法正常控制肩部、手臂和手部肌肉神經叢的患者之中。Hruby說,“仿生手一般會移植到臂神經叢病變,且初次重構和二次重構均告失敗的患者身上,讓那些幾年甚至幾十年以來,一直患有手部功能障礙的的患者看到希望。”

據一月份發表在Journal of Neurosurgery上的一項調查研究顯示,除了通過外科手術能接上仿生肢,這種方法還可以提高手部機動性。同時,它還能減緩嚴重的自發性疼痛,以防發展成四肢神經損傷。

根據網易、36氪等綜合采編

【文章觀點僅代表個人觀點】

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