奈米級3D列印技術為陶瓷骨骼的移植帶來新曙光

[上圖] 為3D列印合成骨的特寫，模仿小樑骨的結構，即天然骨的主要部分。資料來源：Roohani 等人，《先進材料》（CC BY-NC 4.0）

人類的骨質流失是一個普遍存在的問題。無論是由於疾病、創傷或幾十年來的磨損，每年約有 220 萬例涉及骨移植的骨科手術。

自體移植由於其優越的癒合能力與較低的併發症風險，在許多手術中仍被認為是理想選擇，但人工合成骨質的移植通常更受歡迎或成為醫界的首選。然而，天然骨骼的複雜奈米結構使得人工合成骨要同時具備堅固與彈性的特性變得困難。直到最近，澳洲雪梨大學研究人員取得重大突破，為替代骨骼的研發樹立新的里程碑。

從戰場到生物技術：人體修復的歷史

有記錄的第一次骨骼替換手術發生於1668 年，荷蘭外科醫生 Job van Meekeren 使用狗骨修復士兵頭骨。結果這名士兵因身體裡有動物骨頭而被天主教會逐出教會。

直到第一次與第二次世界大戰，骨質移植技術才大幅發展。然而，天然骨移植有其限制，例如需另開刀部位、供骨量有限、可能面臨免疫排斥等。因此，人工合成骨逐漸成為理想選項。

模仿大自然的奈米結構挑戰

天然骨的奈米結構中，膠原蛋白提供彈性，羥基磷灰石奈米晶體提供強度。目前人工合成骨多使用磷酸鈣材料，雖然相容性高，但其機械強度與骨誘導能力較弱。

研究指出，微米與亞微米孔隙對骨誘導有關鍵影響。但目前製造方法尚未能穩定地融入這些結構特徵，導致性能無法與天然骨相比。

突破技術瓶頸：生物陶瓷墨水的誕生

雪梨大學的研究團隊使用由平均尺寸僅 5 奈米的磷酸鈣核簇製成的生物陶瓷墨水，摻入透明樹脂後使用雙光子聚合技術進行高解析度 3D 列印。

研究人員讓結構先在模擬體液中進行預處理，形成奈米磷灰石晶體，填補孔隙並緻密化材料。該研究成果證明這項方法能穩定製造具骨誘導能力的 CaP，甚至可用於修復臨界尺寸骨缺損。

邁向骨再生的新時代

該研究由Hala Zreiqat 教授與 Iman Roohani 副教授領導完成。Zreiqat 教授表示：「這項技術讓我們更接近未來骨移植的變革。」

列印出的合成骨結構可精確控制晶粒大小與孔隙度，並與天然骨成分高度相似，能有效與人體細胞互動，降低併發症與手術風險。

Zreiqat 教授也因該項研究成就，入選 2025 年美國醫學與生物工程研究院院士。該團隊的工作預示著骨再生醫學領域的重大進展。

完整研究刊登於《先進材料》期刊，題為：利用骨預成核簇進行磷酸鈣的生物啟發奈米級 3D 列印（DOI: 10.1002/adma.202413626）。

May 6, 2025 The American Ceramic Society <BulletinEditor@ceramics.org>