点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:关节置换“翻修”时代 啥材料更受青睐
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

关节置换“翻修”时代 啥材料更受青睐

来源:《中国科学报》2021-09-24 13:04

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  关振鹏(左二)正在进行手术。首钢医院供图

  经过半个多世纪的发展,现代人工髋、膝关节置换术已在全世界范围内广泛普及。据不完全统计,2019年我国的人工髋、膝关节置换手术量已经超过了95万例,且仍以接近每年20%的速度增长。

  “我国引入人工关节置换手术已有30余年。从关节假体使用损耗和假体附近骨损失的时间推算,我国即将进入大量关节置换后的‘翻修’时代。”北京大学首钢医院副院长关振鹏在接受《中国科学报》采访时表示,其中,骨缺损的处理是翻修手术最为复杂的技术关键点之一。

  近日,《先进药物递送评论》刊发了关振鹏团队与芬兰埃博学术大学教授张宏博、上海交通大学医学院附属瑞金医院教授崔文国联手在骨再生治疗领域的研究进展,他们首次在静电纺丝和3D生物打印两个技术层面介绍了骨再生材料的合成策略及技术选择。

  业内专家认为,该研究不仅在材料选择与制作技术方面进行了系统全面的分析和论述,更可贵的是结合了实际临床需求,从外科医生角度出发,讲述了对未来骨科研发产品的期望。

  骨科材料的“推陈出新”

  1965年,美国科学家Urist首次提出诱导成骨理论,即具有骨诱导特性的生物材料可以诱导骨髓干细胞趋化并分化成骨细胞,诱导骨细胞在局部分泌矿化基质和胶原蛋白,从而形成新骨,在非骨骼环境中形成骨骼。

  随着学术界对骨替代材料研究的不断深入,多种骨替代材料相继研发问世,包括同种异体骨、脱矿骨基质、人工合成骨传导生物材料等。

  目前,对于小范围非应力部位的骨缺损,骨科的“金标准”是同种异体骨移植,但其价格比较昂贵,而且只适用于小范围或非负重区的填补。

  对于大面积、负重区骨缺损的处理,业内起初使用骨水泥、骨屑直接进行填补,但其远期效果并不理想。即便是先在骨缺损部位加入螺钉进行固定,效果依然不佳,因此逐渐被临床淘汰。

  “现在,我们经常使用的是一种叫钽的金属,它的内部结构与人类骨结构非常相似,都有‘小梁结构’,骨组织可以很好地与钽嵌入生长。同时,无论是机械应力、密度还是金属惰性,它都非常适合作为植入物。”关振鹏说,目前,由钽金属制作的“小垫块”成为了骨科翻修术的主流材料选择。

  但钽垫块也有局限性。

  “首先钽的价格非常昂贵,一个小小的垫块都要数万元;其次,钽的密度比骨密度要大,而骨缺损修补材料与骨的密度差异是骨缺损修复远期效果的主要影响因素。”崔文国认为,骨再生材料的研究不能单纯地探索新材料,还要从新制作工艺寻求解决办法。

  新制作工艺带来“机遇”

  近年来,最为火爆的3D打印技术为骨科带来了“新视野”。

  据该论文作者之一、北京大学首钢医院骨科硕士研究生王一川介绍,国内已经有公司使用钛合金进行3D打印制备成骨小梁结构的骨缺损材料和植入物。“在保障骨缺损位置机械应力的情况下,骨组织能嵌入生长,而且材料价格比较亲民,远期效果也比较理想。”

  但这同时也带来一个问题:嵌入生长的不一定是骨组织,还有瘢痕或者其他软组织。

  “如何使填补材料更好地嵌入生长呢?我们需要制作具有模拟体内局部微环境结构特征的‘支架’,这时我们就想到了制备微纳米纤维的电纺丝技术。”关振鹏说。

  所谓的电纺丝技术是指对针头内高分子液体施加高压电,使针头内液体带有电荷,由于电荷之间互相排斥且与接地端互相吸引,使液体能够克服表面张力射出针头,从而获得纳米或微米尺度的细丝。

  目前,电纺丝技术通过喷丝头和收集器以及调节参数,制造具有不同形态的纳米纤维,例如中空、芯套筒以及珠状结构和不同纤维直径或其他独特结构的纳米纤维,并在骨再生领域应用。

  “为了模拟骨的自然生长状态,静电纺丝纤维膜可以通过相关方式影响成骨细胞的增殖和分化仿生的粗糙度、动态压缩变量,使成骨细胞更好地增殖附着,达到骨快速生成的目的。”关振鹏说。

  不过,在临床工作中,有很多关节置换的患者都伴有严重的骨质疏松。

  “植入周围骨的质量直接决定着手术效果,于是,在植入假体或支持物上负载有利于骨再生的活性组分是非常好的途径。”王一川说。

  仍需接受临床实践的“考验”

  虽然静电纺丝和3D生物打印在生产复杂结构方面有巨大潜力,但在临床应用中也需要技术的提升。

  “我们需要深入研究材料负载水平对机械和生物性能的影响,将宏观的3D打印支架和微观的微纳米纤维相结合,实现宏观新组织长入和微观细胞行为调控,并寻求在静电纺丝和3D生物打印支架中的平衡,以确保最佳性能。具体而言,材料需要满足特定的要求才能确保制造方式高效和有效地运行,因此,在获取优化纳米材料增强的骨组织工程支架时所采用的静电纺丝和3D生物打印技术相结合,再优化组合的方法,实现了宏观和微观的统一。”关振鹏说。

  此外,张宏博认为,还应利用分子生物学方法进一步探索诱导下的详细机制生物现象,进而从分子机理上给予证实,才能增强静电纺丝和3D生物打印支架工程化优选产品的性能;同时,要充分利用现有的静电纺丝和3D生物打印支架,重现多功能支架,节省设计成本。

  当然,任何一项新技术、新材料要实现临床转化,最为重要的是在临床中得到验证。它的安全性和有效性都需要在未来几十年的临床实践中不断总结。

  一直以来,骨水泥是骨科最常用的“胶水”,是用来固定植入物假体和骨的黏合剂,但其最终与人身体的主要应力组织——骨组织存在许多差异。关振鹏期望,“在骨科的假体置换和骨缺损修复领域,追求纯自然状态,即手术后患者完全回归健康,终生不需要进行二次手术翻修或将植入物取出。”

  记者 张思玮

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 文化遗产数字化论坛开幕倒计时1天

  • 倒计时1天!人工智能安全治理分论坛即将举行

独家策划

推荐阅读
人工智能的浪潮正在席卷从科技到教育,乃至全社会的各个角落,中国教育界正在积极推动学习和应用人工智能,以便乘势站在时代前列。今年6月,中国工程院院士、华中科技大学校长尤政提出,人工智能和批判性思维结合形成DNA式的“双螺旋结构”,将有力推动创新。
2025-09-16 09:14
15日,在2025年国家网络安全宣传周主论坛上,《人工智能安全治理框架》2.0版正式发布。落实《全球人工智能治理倡议》,《人工智能安全治理框架》1.0版于2024年9月发布,受到国内外广泛关注。
2025-09-16 09:13
光明日报北京9月15日电 记者陈晨从农业农村部获悉,2025畜禽种业发展论坛14日在北京市平谷区举行。论坛发布了第三次全国畜禽遗传资源普查、濒危畜禽遗传资源保护成效、主要畜种分子身份证构建和遗传评估优秀种公畜等重大成果,举办了畜禽种业振兴成果展,26家单位现场推介新技术、新设备、新成果,72家单位进行专场展示。
2025-09-16 09:13
数智技术以及数智互联技术将推进青年间社会化协同与知识共享,可精准连接青年学习者,并形成跨地域的学习社群与项目协作组。总而言之,数智技术能够为青年群体参与终身学习创造良好条件,能够充分激发青年群体参与终身学习的动力,能够更好地帮助青年群体全面发展。
2025-09-16 09:12
作者:王 珩、程松泉,分别系浙江师范大学教师教育学院教授;浙江师范大学教师教育学院博士生  当前,全球教育正经历一场由人工智能技术驱动的深刻变革。唯有坚守育人初心,在伦理框架内审慎推进技术应用,才能让人工智能真正成为引领教育发展的引擎,而非解构教育本质的飓风。
2025-09-16 09:11
在合成生物学和气候变化应对领域有巨大潜力。
2025-09-16 09:11
走进展区,多款新潮文创让人爱不释手;戴上设备,苏轼笔下的诗词世界任人遨游;指尖轻点,三千年前的青铜器“触手可及”……一系列新产品、新服务、新场景在2025年中国国际服务贸易交易会文旅服务专题亮相,漫步其中,处处感受到科技与创意奔涌、文化和旅游融合的无限活力。
2025-09-15 09:54
在2025年中国国际服务贸易交易会上,一批品类丰富、兼具趣味与文化内涵的文创精品成为展会现场的“人气王”,引爆观展热潮。
2025-09-15 09:54
最大网络基础设施的建成有助于我国突破关键技术的“卡脖子”困境,形成自主可控的核心技术优势,建立起数字经济产业的第二创新生态。 (作者:戎 珂,系清华大学社会科学学院经济学研究所所长、长聘教授;田晓轩,系清华大学社会科学学院经济学研究所博士研究生)
2025-09-15 09:53
今年暑期,工厂游火爆出圈。参观名额秒空、门票收入可观、社交平台相关笔记有10多万条,工厂游俨然成了文旅界新宠。 工厂游等新型旅游业态,实现了工业与文旅的跨界融合,也为文旅经济的发展提供了新增长点。
2025-09-15 09:52
深夜,河南焦作多氟多新材料股份有限公司的实验室依旧灯火通明,总工程师闫春生还在带着团队忙碌。 2006年,多氟多打响了由传统氟化工向精细氟化工、新能源材料转型的战役,闫春生临危受命加入六氟磷酸锂研发团队。
2025-09-15 09:51
2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。
2025-09-12 10:08
汽车排放被认为是气候变化的“元凶”之一,但学术界一直缺乏对城市道路碳排放进行精准刻画的工具。”借助全景AI模型,可实现二氧化碳排放源的精准提取,模型的平均精度超过93%、平均误差低于1.3ppm(ppm为百万分比浓度)。
2025-09-12 10:01
习近平总书记指出:“要把握人工智能发展趋势和规律,加紧制定完善相关法律法规、政策制度、应用规范、伦理准则,构建技术监测、风险预警、应急响应体系,确保人工智能安全、可靠、可控。人工智能系统的可靠性不能停留在统计意义上的“高概率正确”,而应追求在复杂、开放、动态环境下的“高置信可靠”。
2025-09-12 10:01
10日,2025世界顶尖科学家协会奖(以下简称“顶科协奖”)获奖者名单在上海公布。顶科协奖是2021年在上海发起创设、由红杉中国独家提供永久资金支持的面向全球科学家评选的科学大奖。
2025-09-12 09:59
全球规模最大恐龙蛋化石群——湖北十堰青龙山恐龙蛋化石群的埋藏时代,首次被科学家认定为距今约8600万年。专家考证,这是迄今全球分布最集中、规模最大、埋藏最好、原地出露最多、原址保存最好的恐龙蛋化石群。
2025-09-12 09:58
9月10日上午,在马来西亚吉隆坡召开的国际灌排委员会第七十六届国际执行理事会会议上,2025年(第十二批)世界灌溉工程遗产名录正式公布,我国申报的云南元阳哈尼梯田、江苏句容赤山湖灌溉工程、四川彭州湔江堰、北京门头沟永定河古渠灌溉工程全部成功入选。
2025-09-11 10:18
“十四五”以来,我们牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,全力当好自然资源“大管家”和美丽中国“守护者”,全面完成了“十四五”规划的目标任务,有效支撑了经济社会的高质量发展。
2025-09-11 09:57
未来,城市的画卷上,AI、物联网与大数据等现代科技将继续深化推广,但唯有始终以人的尺度丈量技术,以人文的关怀驾驭创新,方能使城市永葆文气的深度、人气的热度与烟火气的温度,让每座城市都在科技的守护中,找到生生不息的发展动能。
2025-09-11 09:52
北京大学的科研团队与合作者联合开发出一种全新的“高维超分辨成像”技术,成功实现了对活细胞内15种细胞器的同时成像与精准识别,为细胞生物学研究打开了一扇全新的大门。
2025-09-11 09:43
加载更多