新西兰奥塔哥大学研发牛骨骨移植新技术 获得专利

奥塔哥大学（University of Otago）研究人员开发出一种全新的专利工艺，有望改进医学和牙科领域所用骨移植材料的制备方式。

该技术由解剖学系（Department of Anatomy）George Dias教授在但尼丁（Dunedin）的实验室主导研发，利用牛骨生产氢氧磷灰石（hydroxyapatite）——一种天然存在的矿物质，是人体骨骼和牙齿硬组织的主要成分。目前该工艺已获得专利。

骨移植材料用于修复骨折造成的骨缺损、肿瘤切除手术，以及智齿拔除、种植牙等多种牙科手术。

George解释，骨移植在医学和牙科领域已被广泛应用，但现有方法存在局限。传统方案之一是自体移植（autograft），即从患者身体其他部位取骨移植，这意味着需要额外的手术，会增加手术时间、费用和患者的不适感，并可能在取骨部位引发并发症。

另一种替代方案是合成骨替代材料，但要制造出能够紧密复刻天然骨骼复杂成分和多孔结构的材料十分困难。为此，科学家会向实验室制成的合成氢氧磷灰石中添加特定离子。

天然牛骨是新西兰肉类加工业的副产品，其中含有有助于骨骼愈合的微量元素。George表示，理想的骨组织工程方案一直是将牛骨中的天然优势与合成氢氧磷灰石的高生物活性结合起来。

但这一设想实现起来十分棘手。由于离子置换在化学上难度极高，此前从未有人找到既能向牛骨来源的氢氧磷灰石中加入有益离子，又能保持其多孔结构的方法。

这正是George与研究团队——包括当时还是博士生的Jithendra Ratnayake博士和Niranjan Ramesh博士——着手攻克并最终成功的难题。

Jithendra 2017年的博士论文聚焦于利用废弃牛骨开发骨移植替代材料，并将氟和硅酸盐离子引入牛骨来源的氢氧磷灰石中，目标是开发两种骨移植替代材料并研究其化学、物理和生物学特性。

他与George花了18个月反复试验，才找到将单一离子引入牛骨来源氢氧磷灰石的方法。

“经历不同的流程摸索真的很难，有时我们都想放弃，”Jithendra说，“但当我们终于找到方法、把结果带到George办公室的那一刻，是最令人兴奋的时刻。”

他们的工艺采用化学方法，将特定离子引入由牛骨制成的氢氧磷灰石中，整个过程不会破坏使天然骨骼得以再生的微观结构。

“这种方法结合了天然和人工合成骨移植材料各自的优势，”George说。

随后，他们与Niranjan一起研发双离子置换技术，这又是一项耗时漫长的工作，花了数月才完成。Niranjan 2020年的博士研究聚焦于向牛骨来源氢氧磷灰石中共同置换锶和镁两种离子，并成功开发出能同时引入两种离子的共置换工艺，这是一项重大突破。

“共置换工艺的难点在于，既要提升牛骨氢氧磷灰石的功能性，又不能损害其结构特性。随着时间推移，我们在Jithendra工作的基础上不断推进，”Niranjan说。

George、Jithendra和Niranjan已将这项成果推向商业化阶段，目前正与一家印度生物技术公司合作，该公司已在美国为这一创新工艺申请了专利。

这家总部位于科伦坡（Colombo）的公司一直在测试基础版牛骨氢氧磷灰石产品，并办理监管审批手续；该基础产品已在骨科氢氧磷灰石移植和牙科根管治疗中进行了试验。目前，他们正利用这项技术生产用于其他医疗应用的颗粒状产品，并考虑在斯里兰卡使用来自新西兰的牛骨进行更大规模的商业化生产。

这项研究历时六年多，George表示，看到产品进入市场，帮助需要牙科和颌面手术的患者，让他感到非常有意义。

“说到底，这一切都是为了患者——这对需要骨移植的人来说意义重大。我们也从使用这款新产品的医生、牙科专家和医疗人员那里获得了很好的反馈。能看到成功来自一个小国家里的一个小团队，也是一种很棒的感觉，”他说，“这证明了我们能用较少的投入，依然可以巧妙地开展工作，并与有能力把成果进一步推广的企业开展成功合作。而且，能够利用新西兰牛肉产业的副产品，也是一件很棒的事。”

Jithendra目前是奥塔哥大学牙科学院（Faculty of Dentistry）的高级讲师，继续研究如何从可持续废弃材料中开发生物材料。Niranjan则是解剖学系的教学研究员，在健康科学一年级课程和200级解剖学课程中授课。

为什么科学家选用牛骨

氢氧磷灰石被用作骨替代材料，它具有生物相容性，能被人体良好耐受，同时具有生物活性，能与周围组织相互作用，支持新骨形成。

相较于人工合成版本，牛骨来源的氢氧磷灰石有一个重要优势：经过适当处理后，它能保留天然的多孔结构。George解释，这些微小且相互连通的孔隙，为细胞、血管和新组织的生长提供了通道，支持受损部位的愈合。

天然骨骼中含有的少量微量元素，例如镁、锶和硅酸盐，也有助于骨骼愈合。牛骨的另一个优势在于它是一种容易获取的副产品——与其被当作废料丢弃，不如将其转化为更高价值的生物医学产品。

George和Jithendra也研究过其他骨骼来源。鸡骨强度不够，但Jithendra曾发表论文，证明该工艺也能成功用于来自沙特阿拉伯的骆驼骨。

这项研究得到了奥塔哥大学研究与企业办公室（Research and Enterprise office）的支持。