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膝蓋痛嗎?3D列印幫助再生膝蓋軟骨

不少人有膝蓋痛,起因半月板軟骨破損。Credit: nSeika CC BY 2.0

不少長輩有膝蓋不舒服的問題,可能爬樓梯走路都不耐久,這種現象也常發生於一些專業的運動員身上。原因可能是長期使用過度,膝蓋間的軟骨半月板磨損,導致沒有緩衝並長出骨刺而疼痛。也或許是膝蓋附近韌帶受傷,關節不平衡,造成半月板磨損。時間一長可能導致所謂的關節炎。

膝蓋軟骨破損導致疼痛?

所謂的「半月板」,也就是大腿和小腿間關節的軟骨,可分成內側及外側二部份,因其形狀似弦月,故稱之為「半月板」,該軟骨連接在關節囊上,如同汽車的避震器,可吸收膝關節所承受的壓力,也有助於減少骨塊間的摩擦。現在臨床上,半月板如有很大的破損,就只能開刀取出,然而在取出後,膝蓋間就缺少緩衝,會快速導致關節炎。如果換上移植的半月板,或者用人體其他部位的材料製成的半月板,成功率低。再者,可能有些藥物治療也可以幫忙修復,但在速度和效果上都不是非常理想。

3D列印+組織工程幫助軟骨再生

美國哥倫比亞大學醫療中心(Columbia University Medical Center)的研究員開發了一種新方法可以置換膝蓋的半月板。他們利用3D列印技術先列印一個半月板形狀的支架,然後給予人類的生長激素來刺激半月板的再生。這種治療方法,已經在羊的身上做過動物實驗,成功的幫助羊修復受損的半月板。

首先,研究員先對沒有受傷的膝蓋使用核磁共振掃描(MRI)來建立完整的半月板模型。將這些掃描出來的影像檔案轉成三維的模型。送給3D印表機,印出這個半月板形狀的支架。所謂支架,外觀看是一個半月板,但是其實不是完全實心,是一條條的網格建構而成,精細度可以到10微米(μm),小於人類頭髮寬度的一半。整個列印過程約三十分鐘,材料使用的是聚己内酯(polycaprolactone),是一種能生物分解的聚合物,這種材料也被用來做手術縫合用。

接下來,先後注入兩種人類蛋白到這個半月板網格支架中,分別是Connective Growth Factor (CTGF) 和Transforming Growth Factor β3 (TGFβ3)。研究員發現如果順序性地注入這種蛋白,可以吸引生物體內現有的幹細胞,並激發他們形成半月板的組織,為了讓半月板可以適當的形成,蛋白必須在半月板支架的特定區域按照特定順序釋放,這個步驟是由兩種不同型式慢速溶解的聚合物微米球完成。首先釋放CTGF,用來刺激半月板的外層形成,然後釋放TGFβ3,用來刺激半月板的內層形成,最後,將這個半月板支架放入膝蓋中。在羊的膝蓋實驗結果,發現約四到六星期後,半月板就會順著支架再生,甚至支架會完全在體內分解。

關鍵性的技術突破

這項實驗很關鍵性的突破傳統組織工程的方法。所謂的傳統組織工程,就是在生物體內先取出幹細胞,然後在實驗室培養這些細胞,之後再植入生物體內,但這種方法有它的極限。相對的,這項研究突破這個極限,將這些步驟移到生物體內,吸引幹細胞來再生組織。

羊的膝關節半月板。

羊的膝關節半月板。左:羊的膝關節半月板實品。中:雷射掃描實品後建立的電腦模型。右:3D列印的半月板軟骨骨架。Credit: Columbia University Medical Center, ScienceDaily(圖片網址)

目前這項實驗已經在11隻羊身上進行過,因為羊的膝蓋和人類很接近。這些羊的半月板被置換為有3D列印的半月板支架+蛋白(治療組)或者只有3D列印的半月板支架(非治療組)。三個月後,接受治療的羊可以正常的走路。研究員還發現,接受治療的羊所新長出來的半月板,其機械性質和結構都和生物體原生的半月板非常接近。進一步,研究員希望可以知道這種再生方法長出來的半月板,是不是也能耐久使用。

如果執行這項方法,3D列印的部份,從患者接受MRI掃描到印出3D模型,只要幾天。接下來這些按照患者需求客製化的產品就可以送到醫院使用。下一步,研究員希望這項研究可以進入臨床測試。看來半月板再生,指日可待。如果膝關節軟骨可以自體再生,是不是可以減少人工關節置換?

文章參考:Columbia University Medical Center
影片來源:Columbia University Medical Center (1), (2)
圖片來源:nSeika CC BY 2.0, Columbia University Medical Center, ScienceDaily
原文參考:Science Translational Medicine

 

 

 

 

 


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。