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大约20年前，Bob Pilliar教授开始寻找合成骨的替代材料。塑料、金属和陶瓷曾被认为是关节置换的最佳材料，但它们无法持久。Pilliar被誉为加拿大的陶瓷材料之父。

如今，作为多伦多大学牙医学院、生物材料与生物医学工程学院名誉教授，Pilliar与两位研究者合作，找到了制造未来植入物的天然成分。他们的目标是制造可生物降解、持久且个性化的膝关节和髋关节替代物。

研究人员发现了一种以磷酸钙形式存在的有效配方。这种粉末由与人类骨骼相同的矿物成分组成，源自美国孟山都公司放弃开发的可降解生物材料。Pilliar团队相信找到了正确的化合物，接下来需要合适的制造方式。

机电一体化工程师Mihaela Vlasea接下了任务，她是增材制造专家。她根据材料特点开发了一台定制3D打印机，大小如双门冰箱，使用紫外线将磷酸钙粉末粘结在一起。Vlasea能以针尖大小的精度在植入物内部制造管道和空腔。

这种3D打印的骨骼植入物像蚁丘，内部布满运送养分的管道网络，出口是表面的小孔。植入后，人体骨细胞会散播并与骨骼结构机械互锁。

“我们在部件内部安排细孔的方式能使自然骨以不同速率生长。”Vlasea说，该方法也可用于设计燃料电池和牙科植入物。

随着时间推移，聚磷酸钙被人体吸收，患者组织和细胞长成植入物形状。“我们希望用它代替人工关节，摆脱金属材料。短期内，我们尝试用它代替小块骨头。”Pilliar教授说，“如果成功，再尝试生成更大关节。”

Pilliar教授也在开发人类软骨替代物，若成功，对关节炎患者是福音。关节炎不仅限于老年人，主要由外伤、畸形关节或运动损伤引起。由于软骨细胞不能再生，治疗手段有限。

“现在，关节受损没有真正的治疗手段可以刺激修复。”Mount Sinai医院病理学和实验室医学主任Rita Kandel说，“最终只能依靠金属和塑料替代物。”

Kandel是骨骼项目的主要研究者之一，与Pilliar和多伦多大学研究员Marc Grynpas合作了二十多年。她说，当前统一规格的植入物使用寿命20-30年，之后需手术更换。Kandel希望通过使用患者自身组织和细胞打造“生物关节替换物”来解决这个问题。

Kandel尝试从患者骨髓提取干细胞，在实验室重新编码，培养成不成熟的软骨细胞。几周后细胞成熟，研究人员将其层积在滑铁卢大学3D打印的钙磷酸盐植入物上并使其生长。植入物一旦手术植入，能自然发挥功能，甚至自我修复。

Kandel称之为“生物性重铺表面”，该技术降低了植入物排异反应的可能性。“使用患者自己的细胞，它们不会被人体认为是外来异物。”她说，这种新型治疗手段可从根本上阻止关节炎发展。

虽然定制植入物的价格未知，但Kandel预期商业化后会更便宜，因为原材料价格低。她估计这类“生物替代物”在未来十年内将广泛应用。目前，研究人员正通过动物试验测试新方法修复小骨替代品的可行性，预计研究还需两年。