JMBBM：细菌编出仿真耳 减患者痛苦解外科难题

瑞士研究人员开发制作出感觉和外观都极为逼真的人工耳朵

耳朵的形状非常有特点，如果因意外或疾病失去一只耳朵，外科医生很难更换上一只新耳朵。瑞士和瑞典的研究人员现在能够藉助一种细菌制作一种人工耳，使之从视觉上和感觉上都与真体相近。

耳朵是一个复杂的器官，不仅脑袋里面隐藏的部份复杂，外面的部份也复杂。耳朵大部份组织为软骨，既不包含神经也没有血管，受伤后不能再生。重建耳朵对外科医生是一项挑战，因为患者通常需要一个看起来和感觉起来都像原来耳朵一样的耳朵。苏黎世联邦理工学院的研究人员新开发的假耳不仅看起来像真耳一样，也具备耳朵的感觉：有的地方硬，有的地方软。

苏黎世联邦理工学院生物力学研究所的斯托克（Kathryn Stok）带领一个国际研究小组归纳出软骨的机械性能特点，研究耳朵的不同部位的软骨如何做到结实且不失柔韧，并将之应用于假体开发。为此，他们进行了一系列的机械试验来测量不同点的软骨特征。在同样的实验设置中，他们也测试了新的生物材料的属性。由此，研究人员可以决定如何调整生物材料来尽可能准确模拟真实耳朵。

细菌制作生物材料 匹配人体效果好

该生物材料由纳米纤维素纤维网制成，纳米纤维素纤维则由木醋杆菌（Gluconacetobacter xylinus）制备。瑞典研究人员马丁内斯（Héctor Martínez）说：“木醋杆菌自然生成纳米纤维素材料，打造一个保护细菌本身的环境。”

MRI扫描健康耳朵制作人工耳，调整纳米纤维素（右下）密度达到准确模拟真耳的机械性能，因此，人工耳感觉真实。

斯托克解释说，“优点之一是我们可以定制材料，以产生更流畅和更坚固的结构，仿照一个真正的耳朵。”另外一个优点是人体可以很好地承受这种材料。

研究人员使用磁共振成像方法扫瞄健康耳，并用三D打印制作矽胶模具。然后让细菌纺出纳米纤维素材料。在耳朵需要硬的地方压缩纳米纤维素材料，需要软的部份使用凝胶珠。然后彻底清洗材料，去除细菌和凝胶珠，最后得到纳米纤维素结构，作为软骨细胞支架。研究人员在培养皿中，使细胞在结构上或凝胶珠制成的孔隙中生长，产生所需形状的软骨。该结构有两个功能：一是作为基架，使新的组织可以在培养皿中生长，另外可作为植入物来支持新耳。

细菌纳米纤维是直径为1~100纳米，长为直径100倍以上的纤维状物，是一种环境友好的纳米材料。

新方法不痛苦 且精确模仿原耳

这种新方法比当前常用的方法更能准确的重建新耳。目前重建耳朵的方法可需要除去多达四块肋骨的软骨制作新耳朵，过程非常令人痛苦。医生需要从患者的肋骨取下软骨，用目测将软骨雕刻成耳朵形状，然后包上皮肤，移植到头部，由人体产生结缔组织连接上软骨与上覆皮肤。这个手术可能永久性地损坏病人的肋骨，并且，新耳朵的形状也取决于外科医生的技术。如果采用控制设计人工材料制作假体，则要么太软或太硬，不仅不舒服，有时也会引起并发症。

斯托克团队通过扫瞄真耳可以用纳米纤维素制作形状完全对称的假耳，坚固度接近真正的耳朵软骨，研究人员预计，它将会很快进入临床应用。斯托克说，“同体内的其它软骨相比，耳廓具有非常复杂的形状。我们已经开发了制作耳朵的过程，我们也可以将其转移到制作任何其他的软骨。”

斯托克预计最大的需求大约是用于膝盖关节的软骨，也可用于鼻、喉和椎间盘软骨。

研究成果发表在《生物医学材料的力学行为期刊》（Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials）上。

Mechanical evaluation of bacterial nanocellulose as an implant material for ear cartilage replacement
Abstract
Bacterial nanocellulose (BNC) is a novel non-degradable biocompatible material that promotes chondrocyte adhesion and proliferation. In this work, its potential use in ear cartilage tissue engineering (TE) is investigated. Firstly, the mechanical properties of native ear cartilage are measured in order to set a preliminary benchmark for ear cartilage replacement materials. Secondly, the capacity of BNC to match these requirements is assessed. Finally, a biofabrication process to produce patient-specific BNC auricular implants is demonstrated.
BNC samples (n=78) with varying cellulose content (2.5–15%) were compared using stress-relaxation indentation with human ear cartilage (n=17, from 4 males, aged 49–93 years old). Additionally, an auricle from a volunteer was scanned using a 3T MRI with a spoiled gradient-echo sequence. A negative ear mold was produced from the MRI data in order to investigate if an ear-shaped BNC prototype could be produced from this mold.
The results show that the instantaneous modulus Ein, equilibrium modulus Eeq, and maximum stress σmax of the BNC samples are correlated to effective cellulose content. Despite significantly different relaxation kinetics, the Ein, Eeq and σmax of BNC at 14% effective cellulose content reached values equivalent to ear cartilage (for Eeq, BNC: 2.4±0.4 MPa and ear cartilage: 3.3±1.3 MPa). Additionally, this work shows that BNC can be fabricated into patient-specific auricular shapes. In conclusion, BNC has the capability to reach mechanical properties of relevance for ear cartilage replacement, and can be produced in patient-specific ear shapes.