俄勒冈州的研究人员设计了一种能够以前所未有的精确度复制人体骨组织的材料，从其微观晶体结构到其生物活性。他们正在利用它来探索基础疾病过程，例如骨转移性肿瘤的起源，以及治疗大骨损伤。

“基本上它是一种小型化的骨头，我们可以在72小时或更短的时间内生产出来，”生物医学工程师Luiz Bertassoni说道，他是DDS博士，OHSU牙科学院助理教授，也是CEDAR，OHSU奈特癌症研究所癌症早期检测高级研究中心。

与真正的骨骼一样，这种材料具有3D矿物结构，其中包含骨细胞，神经细胞和内皮细胞，这些细胞自组织成功能性血管。

“值得注意的是，我们这个领域的研究人员已经习惯于在蛋白质混合物中培养细胞来近似细胞如何在体内生存。但这是第一次任何人能够将细胞嵌入矿物质中，这就是骨组织，“Bertassoni说。

而这正是使新材料成为研究骨骼功能，疾病和骨骼再生模型的前景。“通过这种模型系统，你可以开始询问骨细胞如何吸引不同类型的癌症，癌细胞如何进入骨骼，骨骼如何参与骨髓功能的调节，”Bertassoni说。

“甚至可以解剖导致白血病等疾病的机制。”Bertassoni在博士后研究员Greeshma Nair，博士，博士生Avathamsa Athirasala，M.Sc.Eng。和其他合着者的期刊上发表了自然研究成果。

“能够在实验室中设计真正的骨骼组织也可以改变再生医学，”Bertassoni说，“因为目前对大骨折的治疗需要切除患者自身健康的骨骼，以便可以植入受伤部位。“

该配方开始于将人类干细胞混合到装有胶原蛋白的溶液中，胶原蛋白是骨组织基质中丰富的蛋白质。胶原蛋白连接在一起，形成嵌入干细胞的凝胶。研究人员然后用溶解的钙和磷酸盐(骨骼的矿物质)的混合物填充凝胶。他们添加了另一种关键成分，即来自牛奶的蛋白质骨桥蛋白，以防止矿物质过快地形成晶体。这种添加剂附着在钙和磷酸盐上，也可以最大限度地减少矿物质对细胞的毒性。

混合物通过关于海绵状胶原中DNA链宽度的通道网络扩散，溶解的矿物质沉淀成有序的晶体层。

“我们可以将骨骼结构重现到纳米尺度，”Bertassoni说。“我们的模型经历了与骨骼相同的生物物理形成过程。”

在这种钙化环境中，干细胞发育成功能性骨细胞，成骨细胞和骨细胞而不添加任何其他分子，就好像他们知道它们嵌入实际的骨基质中一样。在几天之内，生长的细胞通过其矿化环境中的空间挤压细长的突起，以与相邻细胞连接和通信。骨骼状的工程结构创造了一个微环境，足以提示干细胞，它是时候成熟为骨细胞。

“这是自然的功能，而且它很漂亮，”Bertassoni说。“所以，我们走得更远，决定尝试使用骨骼脉管系统和神经支配。”

添加到混合物中的神经细胞形成了在矿化后持续存在的互连网络。同样地，内皮细胞形成在矿化后保持打开的管网络。

为了测试材料作为疾病模型的有效性，研究人员将他们的工程骨植入实验室小鼠的皮肤下。几天后，实验室制造的血管与小鼠体内的脉管系统相连。当研究人员在附近注射前列腺癌细胞时，他们发现给予矿化骨结构的小鼠的肿瘤生长比使用非矿化对照的小鼠高三倍。

该团队现在正在设计骨髓细胞生长在人造骨周围的工程版本，用作研究血癌的发生和发展的模型，包括各种形式的白血病。此外，他们已经测试了工程骨样材料作为动物模型中受损骨骼的替代品 - 他们期望在不久的将来报告这些结果。