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科技创新在行动|重庆大学科研团队深耕数载人工关节成本有望降低

重庆大学生物工程学院院长蔡开勇。华龙网-新重庆客户端 记者 李文科 摄

华龙网-新重庆客户端11月24日17时讯(记者 秦思思)人工关节就是用人造的关节去代替正常的关节,人口老龄化、剧烈运动创伤、关节退化以及关节意外损伤等都需要进行人工关节置换。人工关节置换术是解决终末期骨关节病最有效的治疗手段之一,被誉为20世纪最成功的手术之一。

记者了解到,在重庆三甲医院中,90%以上的人工关节都依赖进口,而仅仅只是“人工关节”的成本费用就高达十万元。如何降低“人工关节”的成本费用,这是现在临床医学面临的重要问题之一,重庆大学生物工程学院教授蔡开勇与团队十五年一直聚焦于这个领域的研究。

蔡开勇和团队在做科研实验。华龙网-新重庆客户端 记者 李文科 摄

国产人工关节:价格更低使用寿命更长

蔡开勇教授介绍,生物医用材料的目标是实现生物体的诊断、治疗修复甚至替换病损组织器官。通过构建具有生物活性的人工材料,能够加速甚至诱导不可再生的缺损组织器官重新恢复生物机能。

人工关节置换手术相对复杂,常规人工关节的使用寿命一般为12至15年,患者术后还将再次面临置换手术的风险。若产生磨损或者病菌感染,则需要进行二次翻修,将会使患者出现灾难性的后果。蔡开勇团队主攻的方向是通过设计新型的具有生物活性的钛合金植入体,主动激活骨细胞生物学功能,促进植入体与宿主的骨整合。蔡教授介绍“如果能延长人工关节的使用寿命,那么做一次手术就能彻底解决人工关节的损伤,不仅能够降解细菌感染的风险,还能降低人工关节的成本,节约患者医疗费用。”“同样部位的人工关节,我们研发的人工关节价格有望降低30%左右的费用。”。

突破难点:增加自适应机制是关键

众所周知,人体植入物最容易出现“排异”反应,人工关节目前使的材料多为钛合金,如何能做到不排异?蔡开勇教授告诉记者,每个人的骨质状况不一样,导致个体的骨微环境存在差异。因此,设计并构建出能适应个体化微环境的人工关节,能够对损伤关节进行自我调节和骨修复,这是人工关节研究的关键科学问题。

“人工关节可以定制化制造,根据个体骨骼特征所生产。”蔡开勇教授谈道,目前利用3D打印技术能快速制造出个性化人工关节,但依然存在一个严峻的问题。3D打印人工关节的制备过程需要熔融颗粒,熔融颗粒一般是微米为单位,3D打印过程中可能会导致熔融颗粒脱落,引起一系列的不良反应,比如炎症和骨质疏松。“这些不良反应的持续进行,极易导致二次手术,攻克植入物的炎症问题是我们人工关节研究的方向之一。”蔡开勇说道。

俗话说“伤筋动骨一百天”,这也反映一个医学道理,就是一百天内是骨头恢复的黄金期。如何让骨头长合?则需要在有限的时间内主动诱导成骨细胞分化,抑制破骨细胞活性。蔡开勇教授向记者解释道。团队目前的生物活性人工关节能够有效诱导干细胞的成骨分化,促进成骨和组织诱导再生,延长人工关节的使用寿命,避免患者二次手术所造成的经济压力与感染风险。

蔡开勇教学生如何做好科研项目。华龙网-新重庆客户端 记者 李文科 摄

多学科交叉跨界 兴趣让研究不再枯燥

“生物医学工程是一个应用学科,也是一个交叉学科,我本人也是交叉学科的受益者。”蔡开勇教授告诉记者,他的本科和硕士阶段都是化学、化工领域,在攻读博士学位时,由于导师所研究课题的关系,他才将研究方向转向了生物细胞方向。

而后又因为生物细胞研究的深入而开始聚焦于材料设计,因此对生物材料产生了极大的兴趣,“我当时是由于个人兴趣而研究生物医学工程,生物与我们的生活、健康贴合的更加紧密,生物工程能够对生物体进行有效的修复、诊断。”蔡开勇教授表示,看似不相关的领域,实质上都是生物材料在其中发挥着重要作用。

值得一提的是,在德国读博期间,蔡开勇教授开始聚焦生物材料表面拓扑结构与细胞生物学之间的关系。由于拓扑结构会影响蛋白质吸附,因此他希望找到一个极限拓扑结构的微结构是如何影响蛋白质吸附?同时,蛋白吸附如何对细胞产生影响?蔡开勇教授构建了系列的微纳米拓扑结构,发现维度低于22nm的拓扑结构对蛋白没有明显影响。导师让蔡开勇把研究过程写成文章,“没有获得实质性结果写来也没有效果没有用。”他以此为由拒绝了导师的要求。

“只关注产生正面的结果可不是真正科学。”导师的这句话让蔡开勇教授茅塞顿开。果然,文章一投稿便很快被期刊的主编相中,成为蔡开勇发表过的一百多篇文章中完全没有被期刊修改的两篇之一。10余年过去,它依据被国内外同行所追踪。

从博士毕业到现在,蔡开勇已在生物材料领域深耕近20年,但他依然对这个领域保持着一如既往的好奇与兴奋。在他看来,跨学科研究是一项1加1大于2的事情。“你未曾接触但已有的知识,再加上曾经你拥有的知识结构,这可以创造出新的知识,这是一件让人充实且快乐的事情。”他兴奋地说道。

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