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珊瑚是如何革新人类骨骼修复技术的?

职业/考证 / 医药考试 养生小编 来源:互联网 1139浏览 0评论

(译 / 红猪)珊瑚是海洋里的魔法师。当这一群群微小的海洋有机体生长发育,它们也将海水中循环的钙元素转移到了巨大的石灰岩礁石中。这些珊瑚礁能延伸超过1000英里(约1600公里),为蟹、鳗鱼、海马和其他海洋生物提供了家园,它们堪称是自然界的一大奇迹。   

20世纪60年代晚期,宾夕法尼亚州立大学的两位科学家决定使用一种新型高性能显微镜来仔细观察这些神奇的珊瑚结构。他俩看见的景象使一支跨学科团队走上了一条漫长的研究道路,从南太平洋的热带浅水出发,最后抵达了现代医学的手术室。目前,两人的发现正在帮助外科医生修复病人受损的骨骼。

对滨珊瑚(上图)的研究引发了牙齿种植、面貌复原、脊柱融合以及骨折修复领域的一场突破。(图片来源: Wikipedia)

2012年,这支团队的成员荣获金鹅奖(Golden Goose awards),这个年度荣誉由一位美国国会议员发起,专门奖励那些初看离奇,后来却取得意外成果的研究。“现在看来,大多数科学研究都还是偶然事件,许多伟大发现都是计划之外的”,领奖人罗德尼·怀特(Rodney White)这样评价了团队的意外收获。

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这趟旅程始于乔恩·韦伯(Jon Weber),他是一名海洋地球化学家,专门研究海洋无脊椎动物的碳酸盐棘刺、外壳和骨骼,例如海星、海胆和珊瑚。他在南太平洋潜水,亲自收集了许多样本并带回他在宾州的实验室中。然后他将样本磨成细粉,分析它们的化学构成。他想知道各种海洋动物的骨骼成分是否不同,以及这些不同是否受到环境因素的影响,例如水温、盐度和深度等等。韦伯在60年代至70年代早期发表了一系列关于这些问题的论文,但是一种新型实验设备的出现,又将他的研究送上了一个意料之外的方向。   

60年代中期,宾州州立大学成为了美国第一批获得扫描电子显微镜的机构之一。传统显微镜生成的往往是扁平的二维图像,而扫描电子显微镜使科学家能以更大的景深拍摄显微照片,并且更好地观察样本的三维结构。   

“许多问题,没有那样的设备是不可能回答的”,为宾州州立大学架设并运营这部显微镜的材料科学家尤金·怀特(Eugene White)在逝世前受访时说道,“这是美国东部第一台以商业方式制造的电子显微镜,它当时很受欢迎,整个东岸的人都跑来想看它究竟有什么能耐。”

怀特和这些来访的研究者开始了合作,其中一些研究者来自大型公司,怀特和他们一起用这部显微镜观察了许多人造材料。显微镜送抵校园之后没过几年,怀特的朋友乔恩·韦伯开始访问材料研究实验室,还带上了他收集的那些海底骨骼。韦伯和怀特将样本放到显微镜下,先是观察海胆的棘刺,接着观察珊瑚。眼前的景象令他们惊叹:这些珊瑚骨骼上布满密集的气孔,这些小孔相互连接,构成了一张网络。它们就像一块块三维的渔网,又像是透气极佳的瑞士奶酪。“我们对这些珊瑚的物理结构十分惊讶,”怀特说,“这结构独一无二,和我们研究过的任何东西都不相同。”怀特此前观察过许多合成材料,没有一种能和这些珊瑚类比。但是两人后来意识到:这些珊瑚倒是很像人类的骨骼。 

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珊瑚就此走上了通往手术台的道路。(插图:Jackie Ferrentino)   

骨骼虽然看起来又硬又脆,其实却是活生生的组织,随时都在重建自己。这是一件好事,因为这意味着它们即使受损也能再生。然而,小的骨折虽能自愈,但要是骨骼上出现了较大的缺口就无法长好了。当人体失去了一大块骨骼,外科医生就需要给伤者植入某种支架,好让新的骨细胞能够攀附生长。   

骨骼上天然就有小孔,医生也已经知道,在骨骼的缺口或伤口上植入一小片真的人骨,就能修好伤口。移植进去的骨片上布满细小的通道,新的骨组织就可以在其中生长。这种骨移植物已经成为了现代医学的一大支柱,无论是修复战场创伤,弥补出生缺陷,治疗复合骨折,减轻关节炎疼痛,或者是稳固膝关节和髋关节替换物,都能用到它。   

然而这种手术也有缺陷。一般来说,医生通过两种途径寻找可以植入的骨骼:他们可以在病人自身的骨骼上取一小片(通常是在髋部),或者取尸体的骨骼。但这两种途径都不理想:尸体上的组织可能传播疾病;而取病人自身的骨骼很痛,还可能引起严重的并发症。   

因此,科学家早就开始探索用别的材料来做骨移植了。工程师们在实验室里做出了几种颇有希望的材料,比如多孔陶瓷,然而要重构出人类骨骼上的那些大小相同、彻底连通的小孔,却实在是一项艰巨的任务。就像宾州州立大学的斯里达尔·考马耐尼(Sridhar Komarneni)所说,“要复制自然的产物是很难的”。 考马耐尼是一位材料学家,也是《多孔材料杂志》(Journal of Porous Materials)的主编。   

但现在看来,自然本身或许已经提供了一种方案。

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1971年,尤金·怀特请他的侄子罗德尼·怀特( Rodney White)暑假到自己的实验室打工。当时的罗德尼还在纽约州立大学上州医科大学念书,他和叔叔及韦伯一起拍摄照片、制作珊瑚骨骼的模具。三个人对珊瑚结构观察得越久,就越是疑心这一大群渺小的海洋无脊椎动物完成了工程师无法完成的任务:它们创造出了人类骨骼的理想替代材料。 

珊瑚骨骼上的气孔大小一致、分布均匀、且彻底贯通,用它们做移植物,骨细胞和血细胞就能在其中畅快地流动,新的血管和骨组织也就能顺利生长了。1972年,韦伯和怀特叔侄在《科学》杂志上撰文介绍了珊瑚的这些优点。他们还指出,滨珊瑚(Porites coral)可能尤其适合用作植入材料。   

罗德尼·怀特回忆道:“居然有一种骨骼替代物能装在瓶子里,然后取出来直接移植,这一点在当时引起了人们很大的兴趣。”现在的罗德尼已经是长滩纪念心血管研究所的血管外科主任了。   

不过这里头还有一个重大问题:珊瑚骨骼是由碳酸钙构成的,而碳酸钙会被人体迅速吸收。尤金·怀特于是指出:“碳酸钙作为材料是毫无价值的。”他们要研究的是如何将珊瑚骨转化成一种更稳定的材料,同时又不能更改它的复杂结构。     

三人找来了黛拉·罗伊(Della Roy)帮忙,罗伊是一位化学家,也在材料研究实验室工作。她准备了一只盛着磷酸盐溶液的试管,将滨珊瑚的切片放入,然后将试管在高压下加热。溶液中的磷酸盐渐渐替换了珊瑚骨骼中的碳酸盐。

几小时后,当罗伊将样本从试管中取出,那已经是一种叫做“羟基磷灰石”(hydroxyapatite)的磷酸钙了。这正是人类骨骼中的主要矿物质,而且这个过程并没有改变珊瑚的结构。只用一台漂亮的高压锅,罗伊就把热带珊瑚变成了人造骨骼。 

扫描电镜下的羟基磷灰石,可以看到其多孔结构。(图片来源:mo-sci.com)   

“将碳酸盐转变成羟基磷灰石,这是关键的一步。羟基磷灰石和人体相容,也保留了多孔的结构。”考马耐尼说道,“这个想法很妙。”   

罗德尼·怀特从纽约州立大学招募了几位外科医生来开展动物实验,并将这种新材料命名为“珊瑚羟基磷灰石”(coralline hydroxyapatite)。医生们将它植入了几条成年狗的腿上,得到了很好的效果:植入物上慢慢长出了新的骨骼,而且没有排异或是感染的迹象。   

在这之后,又有几家不同机构的团队各自开展了研究,对象有狗,有兔,有猴子,最后还有人类,得出的结果都很乐观。到今天,珊瑚羟基磷灰石已经在外科医生的重建手段中赢得了一席之地,在牙齿种植、面貌复原、脊柱融合以及骨折修复领域都有建树。成千上万名患者因为它而获益。   

2016年过世的罗伯特·布霍尔茨(Robert Bucholz)生前是得克萨斯大学西南医学中心的整形外科医生,曾对珊瑚羟基磷灰石开展过几项早期人体研究。“这是一种神奇的材料,”他说,“它是最早的合成骨骼替代材料之一,已经经受住了时间的检验。” (编辑:游识猷)
 


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编译来源 From the Bottom of the Sea to the Operating Table