香港理工大学研发出骨骼支架 可自行填补骨头缺损部位

中研股份2018年8月17日讯  骨骼可以自行再生,但因切除骨肿瘤及严重骨折所导致的大面积缺损,则需要接受自体或异体骨骼移植手术,导引骨骼再生。骨折乃全球愈益关注的健康问题,在人口老化的社会尤甚,如何改善移植手术或有效导引骨骼再生,借以舒缓病者痛苦兼减轻社会医疗开支,成为科学家应对的一大挑战。以骨质疏松引致的髋骨骨折为例,今年香港有9,590宗新病例,一项最新研究预测,到了2050年,每年新症数目将是现时的三倍;马来西亚及新加坡同期的数目更会跳至三倍半。

香港理工大学胡金莲教授研究团队结合形状记忆发泡材料及羟基磷灰石(骨骼组织的主要矿物成分),设计及制造出一种可自行填补高效能的骨骼支架,能安全及方便地植入骨骼缺损位置,令骨骼再生,有助骨伤及骨折病人康复。目前市面有售的骨骼支架仍未有具备形状记忆、自行填补性能。

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组织工程学科学家近年有关骨支架的研究,为这领域带来新希望,其中一个方向研发可导引组织快速再生、兼能以微创手术植入的骨支架,从而减少病人住院日数及感染风险。香港理工大学团队最近研发的自行填补支架,乃此领域的突破。团队由纺织及服装学系胡金莲教授(研究项目首席研究员)和博士后研究员谢瑞琪博士,以及康复治疗科学系郭霞副教授带领;团队亦与四川大学紧密合作,就此项目进行细胞培植及动物建模实验。

团队研发的骨支架结合形状记忆聚氨酯泡沫(polyurethane foam)及羟基磷灰石(hydroxyapatite / HA)纳米粒子制成,具有显著的自行填补功能。支架由形状记忆材料制成,可在0°C将其压缩,在室温下进行移植,并在40°C完全回复原来的形状,因而可自行全然填补形状不规则的骨缺损。过程中的过渡温度接近人体的生理温度,因而大幅提高其应用于微创手术的可行性。

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这种自行填补支架拥有多孔结构及互相连接的孔洞,以供细胞迁移及形成新组织。支架孔洞的大小平均为670微米(头发的直径约为100微米),即接近人体的松质骨(人骨的内层)孔洞的大小,以模拟人体内的实际微小环境。该支架大约60%为空隙,此乃支架最佳结构。

支架的机械强度不能太低,否则会变形或遇撞断裂;也不能太高,否则周遭骨组织的密度会降低。团队研发的支架抗压强度设为13.6MPa,即相当于人体的松质骨的抗压强度。实验室测试又显示,该支架具生物相容性、不会引起排斥,亦不具细胞毒性。

胡教授表示:“通过兔股骨缺损研究,我们进一步检验自行填补支架促进骨骼再生的成效,结果显示支架能克服传统聚合物支架的缺点,有很大潜质应用于骨骼再生。”

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在动物实验中,18只白兔每条腿的股骨于膝关节位置都有缺损,即一共有36处缺损。它们一半被分为实验组,另一半则为对照组。

实验组白兔骨缺损的位置被植入大小压缩至原来一半的支架(支架压缩前的尺寸比骨缺损大大概5%)。在加入40°C的盐水后,被压缩的支架在60秒内膨胀,把骨缺损全然填满。对照组的骨缺损并无植入支架。

手术后12周,实验组的骨内骨组织生长较快,有46%骨内生长,代表有46%骨缺损被修复;对照组则只有24%骨内生长。

实验亦证实自行填补支架能导引成骨细胞及血管的形成,这些都是合成骨组织的要素。在手术后12周,实验组在支架上生长的血管数量,是对照组的四倍。此外,实验组5%的骨表面被成骨细胞复盖,但在对照组几乎找不到成骨细胞。

总括而言,该团队研发的新型形状记忆支架有以下优点:

能以微创手术植入;

自行调节和自行填补;

拥有重塑骨骼的最佳结构;

具生物兼容性、不会引起排斥;

具良好机械性特质。

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