近年来,医学工程领域涌现出一种令人耳目一新的概念:手持式"骨愈合枪"。它的工作原理类似于热熔胶枪或挤出式3D打印机,通过将一种可生物降解且促骨形成的材料在术中直接挤出到骨缺损处,形成支架来稳定骨折并引导新骨再生。该思路由韩国成均馆大学与美国团队合作推进,相关研究在小型动物模型中显示出可喜的骨再生迹象,但要走向临床应用仍需克服多重技术与监管难题。 为什么需要这样的设备?传统处理复杂骨折或大段骨缺损的做法多依赖金属植入物,常见的是钛合金制成的个性化支架或预制植入物。虽然这些金属结构在机械强度上表现出色,但它们的制造周期长、成本高,而且与周围骨组织的生物相容性、应力屏蔽问题以及长期并发症(如感染或需要二次手术去除)一直是临床关注点。通过在手术现场即时"打印"可降解的骨支架,可以实现快速个性化修复,缩短手术时间,降低等待定制植入物的成本,并在理想情况下实现植入物被新生骨逐步替代的生物学修复过程。
材料选择是实现该概念的核心难题之一。研究团队最终采用了聚己内酯(polycaprolactone,PCL)与羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)的复合配方。聚己内酯是一种已获FDA批准的可生物降解热塑性聚合物,具有良好的可加工性和可控降解速度;羟基磷灰石则是天然骨矿的主要组成成分,能够促进骨细胞黏附和骨形成。通过调整PCL与HA的比例,研究者优化了混合物在相对较低温度下的可挤出性,使其在外科环境下的工作温度降至约60°C,相对于传统热熔胶材料超过100°C的挤出温度要安全许多,有助于减小对周围软组织和骨组织的热损伤风险。 动物试验是评估新技术有效性与安全性的第一步。研究团队在兔子肢体骨折模型中测试了骨愈合枪与配方,结果显示接受现场挤出复合支架的兔子在骨愈合速度和新骨形成上优于使用传统骨水泥的对照组。
显微镜下能观察到新骨围绕支架形成,且材料在体内呈现出逐步降解的趋势。然而,研究也发现了局限性:复合材料的降解速度仍相对较慢,未能在短期内完全被新生骨替代;此外,兔子体重和生物力学负荷远低于成年人,无法充分证明该材料在承受人体负重时的长期可靠性。 从临床转化角度看,骨愈合枪面临的挑战包括两方面:器械与手法。器械层面,需要在手持便捷性与打印精度之间取得平衡。传统挤出式3D打印机依靠导轨和精密运动控制实现高精度成型,而手持设备在没有刚性导向的情况下难以保证可重复的几何精度,这对修复不规则缺损尤其关键。研究人员已提出将手持设备与导航、外科机器人或光学定位系统结合,以提供实时位置反馈与位姿控制,从而提升挤出路径的准确性并减轻对操作者经验的依赖。
手法层面,外科医生需要掌握新的操作技能,包括如何在有限的术野中构建稳定的支架几何、如何控制材料体积与分层策略以兼顾力学性能与生物降解性、以及如何应对操作中可能出现的粘连或堵塞。为此,系统化的培训、仿真训练与术中辅助工具(如一次性模具或可拆卸导向套件)可能成为推广该技术的必要条件。 感染控制是任何植入性修复方案必须重视的问题。因植入材料和施工过程可能带来细菌污染风险,研究团队计划在材料中预先加载抗生素或抗菌药物,使植入物在初期释放药物以抑制感染。这种药物缓释策略在骨科领域已有先例,但需要精确控制药物释放曲线,避免产生耐药性或影响细胞黏附与骨生成功能。此外,材料的无菌制备、设备的消毒流程以及术中操作规范同样不可或缺。
生物力学性能与降解匹配是评价骨愈合枪材料成败的关键。理想的植入支架应在早期提供足够的机械支撑以维持骨折对位,随后随着愈合进展逐步降解并让位于新生骨组织。降解太快会导致失稳,降解太慢则可能阻碍骨再生或造成应力屏蔽。聚己内酯的降解周期通常为数月到一年,研究者正在通过改变分子量、结晶度或与其他可降解聚合物和生物玻璃混合来调控降解速率;同时,通过调配羟基磷灰石的含量,可以增强早期力学强度并提升骨传导性。 对比现有修复方法,骨愈合枪的潜在优势包括现场个性化塑形、降低等待定制植入物的时间成本、可能的整体费用下降以及减少二次取出金属植入物的需求。它也为偏远地区或战场救治带来想象空间,在资源有限的环境下实现快速临床决策和现场修复。
不过,这些设想需建立在对长期安全性、力学耐久性与感染控制有充分证据的基础上。 监管与商业化路径同样复杂。在美国和欧盟,手持骨愈合枪既是一个医疗器械,也与植入材料的药学性能密切相关,可能涉及器械审批与药物/生物活性物质的双重审查。临床前需要在大动物模型中证明其长期生物相容性、降解行为和力学稳定性,然后进行分阶段的人体临床试验,最终获取相应的监管许可。制造企业还必须建立严格的质量控制、无菌生产与追溯体系。 展望未来,骨愈合枪的演化可能走向多学科融合:更先进的输送头实现更细腻的分层打印,集成实时影像和导航技术以提高精确度,智能材料实现按需释放生长因子或抗菌药物,甚至结合干细胞或生物活性分子以加速骨再生。
另一个值得关注的方向是将手持挤出与可降解金属或复合材料结合,借助金属的早期高强度与聚合物的生物降解特性,共同满足临床对早期承载和长期愈合的双重需求。 任何新兴医疗技术的推广都离不开临床医师、工程师、监管机构与患者之间的沟通与信任建设。对于外科团队而言,理解材料的物理化学特性、掌握操作技巧并参与规范制定至关重要。对于患者与公众,清晰透明地传达潜在风险、效果与替代方案是伦理义务。 总之,骨愈合枪代表了一种具备潜力的手术即刻个性化修复思路。它结合了3D打印思维与可降解生物材料的优势,初步动物研究展示了促进骨再生的可行性。
未来要实现真正的临床应用,还需要在大动物模型中验证力学可靠性和长期安全性,改进定位与控制系统以降低对操作者技能的依赖,优化材料配方以实现更合理的力学与降解匹配,并通过严格的监管评估与多中心临床试验来确证其疗效与安全性。对于复杂骨折、肿瘤切除后的骨缺损以及资源受限环境中的应急修复,骨愈合枪若能成熟并规范化使用,将为骨科修复开辟新的路径。 参考提示:相关研究发表于期刊Device(2025),DOI: 10.1016/j.device.2025.100873,研究团队在文章中对材料配方、温度控制和兔子模型试验进行了详细描述。研究的后续方向包括大动物模型试验、抗生素负载以及与导航系统的结合。 。
