向冰塊學習造骨

　　向海水制成的冰學習制造人體骨頭?這聽來似乎有些荒謬。然而，這項實驗正在美國加州大學的實驗室里，如火如荼地進行著。美國加州大學的研究小組觀察發現，用海水制成的冰塊與用普通純凈水制成的冰塊在結構上有所不同，它所形成的顯微結構與骨頭的顯微結構非常相似。于是，研究小組決定用含有構成骨頭的固體物微粒的水，來代替富含鹽和海洋微生物的水，然后通過冷卻使之凝固。實驗的結果令人振奮，由于添加了礦物顆粒，凝固后的晶體形成一種具有骨頭機械特質的材料，這種材料將來完全有可能作為骨頭的替代品來使用。
　　
　　支撐骨頭修復
　　
　　這項實驗意義非同尋常，它的出現將為骨科最為棘手的移植手術開辟一條新道路。大家知道，骨頭是一種非常特殊的物質，它質地堅固，能夠承受巨大的壓力，同時又具有一定的韌性，而且很輕。骨頭的這些特點常常令材料物理學家們也贊嘆不已，生物學家們則更驚嘆于骨頭能不斷自我更新的能力(研究發現，人體的骨骼每10年就會全部更新一次)以及骨折后自我修復的能力。但是，骨頭的這種自我修復能力有時也需要外力的幫助，因為從臨床上看，有10％左右的骨折病人都會遭遇自然修復失敗。有些骨質疏松病人或骨折病人，有時甚至在第一次手術后，就出現了骨頭自我修復能力極不理想的狀況。在這種情況下，就要考慮使用骨質替代品來幫助骨骼重新生長或者自我修復。
　　骨頭修復需要幫助，人們首先想到的總是“自然”方法。醫生的傳統做法是從病人的骨盆處取下一塊骨頭，將它移植到病人受損骨頭的部位。這種自身移植的方法雖然對骨折修復來說比較理想，但病人被取骨頭的部位卻是痛苦不堪。當然還有其他一些方法。如在胯骨人工修復手術時取下的骨碎片進行的同種異體移植：或使用腦死亡病人捐獻的骨頭。但這樣的捐獻者很少，因此可供使用的骨頭也很稀缺。另外，對這類骨頭的放射滅菌處理也會損害骨頭的機械性能和生物機能，使它變成質量極差的移植物。對從事生物材料研究的物理學家們來說，能發明一種接近自然骨頭機械性能的合成骨替代物是一項真正的挑戰。骨移植實際上是要幫助受損的骨頭(比如骨折、骨癌、骨頭畸形等)在生物生長因子的幫助下實現再生。這種再生同時還需要一種能被人體吸收的、質地堅硬的支撐物的幫助。這種支撐物除了要具備可再生性、生物兼容性和無毒等條件以外，還必須是由既有孔隙又堅固的材料構成。而所有這些看似相互矛盾的要求又很難在人工條件下獲得。
　　在這種情況下，醫生們開始將目光投向其他的一些自然材料。首先被選中的是珊瑚，珊瑚是一種多細孔、可吸收的物質，和骨頭比較接近。所以，從上世紀80年代開始，珊瑚就被醫院用來作為支撐骨頭生長的材料。雖然這在臨床上取得了一些不錯的效果，但由于這種物質被吸收的速度太快，以至于出現骨頭還沒有長好，它已經沒了的情況。另外，使用珊瑚作為支撐材料有時會產生滲出反應，因而常常令醫生望而卻步。因此，醫學界一直期待著一種理想材料的誕生。
　　
　　參考模型絕佳
　　
　　現在，研究小組通過復制海水凝固的機理，用羥磷灰石(一種構成骨頭礦物結構的磷酸鈣陶瓷)成功研制出一種新的用于骨頭修復的支撐材料，這正是美國加州大學的研究小組的目標。雖然人造陶瓷支撐材料過去就有，而且在使用過程中還取得了一定的成功，但尚未有一種能與真正的骨頭相媲美。而這一次，科學家們認為新材料達到了真骨的水平，因為從任何一個角度來看，這種物質都是一種絕佳的參考模型。它是由一種本質上非常脆弱的材料——普通的碳酸鈣構成，但由于其結構特別而異常堅固，因此，科學家們最初的想法就是模仿出這種材料，這可是一場真正的挑戰。困難在于，人體骨頭的珍珠質具有一種非常特殊的多維組織構造，正是這種特殊的結構才使得它具有非常好的機械性能。粗略地說，它是由一些非常粗糙的小薄片組成，這些小薄片一層層對齊排列，每一層之間都有一種聚合物。在不同層次的小薄片之間有小橋一樣的結構將它們相連，從而提高了整體結構的物理性能。這是一種非常復雜的構造，想要在實驗室里將它完整地復制下來幾乎是不可能的，除非得到大自然的引導和幫助!研究小組正是從用海水制成的冰塊結構中受到啟發，大膽嘗試在純凈水中加入磷酸鈣微粒并將它冷凍凝固。在凝固的過程中，冰塊的小薄片禁錮了磷酸鈣微粒，使之也形成薄片狀，這樣就復制出和珍珠質一樣的多維結構。
　　下一步的任務是將晶體結構中的水分去掉，脫水的方法在食品工業中經常會用到。最后，在高溫下將微粒連接起來。科學家們由此獲得了一種羥磷灰石質地的珍珠質，他們將它稱作“冰塊結構材料”，這是一種非常接近骨頭的多孔材料。像骨頭中的礦物結構一樣，這種羥磷灰石質的珍珠質中，孔與孔之間也是相通的，十分有利于骨細胞在此生長和發展，這是非常重要的一點。這種方法最巧妙的優點在于，可以通過調節水凝固的速度來控制材料的顯微結構大小，而且能夠任意控制這種大小的變化!凝固得越快，薄片就越薄，這樣研究人員就能輕松地選擇自己所需孔的大小。
　　此外，為了使它能更緊密地與骨頭的結構粘連，使之成為一種非常堅固的混合材料，還可以在它的孔中填補一部分有機物質。現在的工作就是在活體上實驗這種材料了，這個實驗將在美國舊金山大學進行。科學家們將觀察和研究骨細胞在支撐物上的生長情況，然后在動物身上實驗。
　　不過，今天距離在手術室里使用這種材料還有很長的一段路要走，而且還有其他一些支撐材料也顯示出美好的前景。有關骨頭生長的研究一直以來都非常活躍，近年來也取得了很大的進步。在一些實驗性的研究中，通過使用干細胞和人工支撐物，已經取得了非常了不起的成果。為了幫助骨細胞的再生長，我們需要最有效、最接近自然骨頭的材料。在這方面，一切創新和發明都受歡迎!但是，在活體實驗之前，很難預測一種新材料的生物表現到底怎樣。因為有很多的要求必須達到：首先是生物兼容性、合適的多孔性以及孔與孔之間的相連性。此外，這種材料還必須有利于活細胞良好的附著，并且擁有較好的生物特性，能夠引導、誘導和幫助骨細胞再生。最后，它還必須表現出良好的機械性能，必須能被人體吸收而不產生毒性，同時易于應用。總之，從實驗室到人體的距離還相當漫