骨骼的"终极"替换材料是什么?"玻璃"成了首选

出品|网易科学人栏目组

译者|晗冰

玻璃似乎并不是替代人体骨骼的常用材料。但是英国外科医生发现，生物玻璃不仅比骨骼更坚固，而且有弹性、可以弯曲，不易感染。

2002年，伦敦国王学院面部重建专家伊恩?汤普森（Ian Thompson）接到了一通紧急电话。一位二十多岁的病人在路上行走时被一辆失控汽车撞了。其头部撞在了车前盖上，巨大的冲击力砸在他的脸上脸，致使其眼睛眶底骨折。

眶底骨的厚度不超过1mm，主要作用是将眼球固定在头骨上。汤普森解释说：“眶底的脆弱对于人类来说是一种防御机制。但没有眶底，你的眼睛会向后移动到头骨中，导致视力模糊和焦点不足。”这位病人也失去了辨别色彩的能力。他的工作是为飞机重新布线，但事故导致无法再区分出蓝色电线以及红色电线。在长达三年的时间内，他完全无法工作。

相比于新技术的诞生，这场事故发生的时间早了三年。在三年时间内，外科医生拼命地尝试重建眶底，将眼睛推回到原位。首先是使用材料植入物，然后是使用病人自己肋骨的骨骼。两次手术都失败了。每次术后几个月都会出现感染，引起患者的极度痛苦。而现在医生有了最终的解决方案。

汤普森的中级解决方案是打造世界上第一款玻璃植入物，将生物玻璃做成一个薄板，从患者眼睛下方插入眶底。使用玻璃这样一种自然脆性材料来修复如此微妙的东西似乎有些违反直觉。

但这不是普通的玻璃。

图示：牙膏里含有生物玻璃成分

伦敦帝国学院生物玻璃专家朱利安・琼斯（Julian Jones）说：“如果你将一块普通玻璃窗放在人体内，那么很快就会被疤痕组织包围，基本上过不了多久就会产生排异反应。 “但是当你将生物玻璃放在体内时，它开始溶解并释放出离子，这些离子能够兼容人体免疫系，也能够溶于细胞。这意味着身体不会认为这种材料是外来物，所以能够粘合到骨骼和软组织中，从而刺激新骨骼的生长。“

对于汤普森来说，使用新材料的效果即时显现出来。几乎在一瞬间，患者就恢复了视觉，能够辨识颜色，空间感也回来了。十五年过去了，他的身体依旧很健康。

汤普森已经使用生物玻璃这种新材料成功治愈了因汽车或摩托车事故造成伤害的100多名患者。 “生物玻璃实际上要比使用患者自己的骨骼好得多，”汤普森说。 “因为我们已经发现，当生物玻璃中的钠溶解时，会缓慢地释放出钠离子，从而能够杀死组织中的细菌。所以在偶然情况下，生物玻璃起到了这种温和的抗生素作用，能够消除伤口感染。“

前沿材料

生物玻璃是由美国科学家拉里・亨斯特（Larry Hench）于1969年发明的。赫斯特（Hench）发明这种材料的灵感来自于与一位从越南战争中返回的军队上校在巴士上的对话。上校告诉亨斯特，在战场上现代医疗技术可以挽救生命，但却无法挽救人体的肢体。亨斯特决定搁置其关于洲际弹道导弹的研究，着手设计不会被人体排斥的仿生材料。

亨斯特最终将他的研究成果带到了伦敦。在英国，矫形外科到牙科领域领域，生物玻璃应用革新正在发生。

在过去十年中，外科医生使用粉状的生物玻璃修复骨裂，这种生物玻璃看起来就像砂砾泥，能够修复骨骼上的小裂缝。自2010年以来，同样的粉状生物玻璃已经普及，被用于各种具有牙齿修复和保护作用的牙膏中。在刷牙过程中，生物玻璃溶解并释放出与矿物结合的磷酸钙离子。随着时间的推移，这些物质能够慢慢刺激牙齿再生长。

图示：弹性生物玻璃制成的立方体

但是许多科学家认为，目前生物玻璃的应用还只是触及了新材料的表面。研究人员正在利用这种新型材料开发新的临床产品，可以彻底改变对骨骼和关节进行的外科手术。

琼斯坐在自己位于帝国学院材料部的办公室中，手中拿着一个小的立方体，他将其称之为“弹性生物玻璃”。它类似于当前的生物玻璃，但有细微的变化：材料中化学成分的微妙变化使其它不再脆弱。而是像琼斯所说的那样，“如同孩子手中的弹力球“，非常灵活。

关键在于它可以植入坏腿之中。其不仅能够支撑患者的体重，允许他们在没有拐杖的情况下自如行走，而且不需要任何额外的金属或植入物固定。同时，这种“弹性生物玻璃”也将刺激和引导人体骨骼再生，同时材料本身能够被缓慢自然地吸收进入体内。

琼斯说：“在骨折中为了能够让大块骨头再生，材料的支撑力相当重要。除此之外，植入腿内的植入物能够将体重传递到每一个骨骼细胞，这一点非常重要。我们的身体在自己的构造中形成骨骼，因为细胞能够感觉到人的体重。所以要想让一块大骨头再生，就需要传递正确的信号。太空宇航员骨骼生长减缓的一个重要原因是因为没有重力，细胞没有收到与地球上重力相同的信号。“

对生物玻璃化学成分的进一步改变使得新材料有了一种不同的特性。其会变得更加柔软，就像橡胶一般充满韧性，完全可用于软骨修复。

现在，外科医生通过关节镜下微骨折手术（microfracture）来修复受损的髋关节或膝关节软骨。这涉及到在损伤区域上移除受损软骨，然后刺穿骨骼，刺激骨髓释放出干细胞，干细胞会与血液凝结长成平滑坚固的修复组织。但是，这种方法可能导致疤痕软骨，并且在几年内又出现同样的问题。

作为一个解决方案，琼斯正在试图使用3D打印的生物玻璃来替代软骨。这种情况下材料必须保留软骨的所有天然性质。为了测试其有效性，琼斯利用生物玻璃开发了一个模拟器。

他说：“我们模拟人体行走以及弯曲中膝盖所做的一切，并确保生物玻璃能够像真的关节一样。如果一切顺利，我们将进行动物临床试验。”

这种生物玻璃也可用于治疗腰椎间盘突出。目前，外科医生通过骨移植物来代替功能障碍的椎间盘来治疗严重的腰椎间盘突出症。但是，虽然这消除了痛苦，但却牺牲了灵活性。相反，外科医生可以采用3D打印的生物玻璃用于替代功能障碍的腰椎间盘。

“似乎很明显，”琼斯说，“目前还没有人能够复制出软骨的特性。但是用生物玻璃，我们认为我们可以做到这一点。“

“我们只能证明我们可以做到。如果一切顺利，我们能够通过所有必要的安全测试，其有望在十年内用于临床“

可以融入人体的人造新材料似乎是未来医疗的重要组成部分。已经有数以百万计的人用它刷牙了。

这可能只是开始。