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3D打印“仿生骨”難題是這樣攻克的——記西北工業大學汪焰恩教授團隊

2019-04-18 15:40:34 來源: 科技日報 作者: 史俊斌

本報記者 史俊斌  通訊員 趙珍

骨缺損是骨科臨床最常見的疾病之一。我國每分鐘就有7人因交通事故導致嚴重傷殘,每年約有1000多萬骨缺損患者。骨缺損修復重建一直是國際臨床難題。聽說西北工業大學汪焰恩教授團隊研制的3D打印活性仿生骨可在生物體內“發育”,做到與自然骨的成份、結構、力學性能達到高度一致,已經到了“以假亂真”程度!科技日報記者近日深入西工大一探究竟。

用自己的努力治愈母親腿傷

“傳統金屬、高分子材料存在仿生結構不可控、力學性能不匹配、生物相容性差、無發育功能、運動錯位、磨損等術后并發癥。尤其是沒有生物學活性的假體,無法在人體內發育,不能與自然骨良好地融合,需要二次手術修復。”見到記者,汪焰恩教授開口就如此坦言。2004年,還是西工大一名博士研究生的汪焰恩,就為自己立下了“研制人造骨3D打印技術及裝備”的flag。對于這一想法的源起,汪焰恩坦言:“我母親的腿有殘疾,當時我只是單純希望能通過自己的努力治愈她的病傷。”每每看到行動不變的她,我總是特別心疼。”“剛開始的想法很簡單,以為只要把程序編出來,把控制系統做好,就能打印出人造骨。”汪焰恩沉默了一下,接著說:“那時的我知道這件事比較困難,但沒有想到難的人曾經都有放棄的念頭!”

從基礎理論的探索,到粘合劑的選擇和打印材料的配比,再到仿生骨生物活性的研究;從打印機的結構設計,到硬件開發和控制系統;從動物實驗,到檢測設備的研發。汪焰恩用15年的時間,從一個生物3D打印的門外漢到今天的專家,走出了一條從理論研究到應用探索的新路徑。

讓人造骨“活”起來

汪焰恩團隊研制的3D打印仿生骨,最核心的技術就在于“仿生”。

由于傳統陶瓷骨與自然骨的各項性能仍有較大差異,不能實現在動物體內的良好發育。為解決這一問題,汪焰恩首先從打印材料入手。羥基磷灰石是目前世界通用的仿人骨材料,然而,如何將粉末狀的羥基磷灰石粘合起來,一直是個難題。國外就是因為采用了酸性粘結劑,而給被植入者帶來術后痛苦。粘結劑大多是粘稠和表面張力大的有機化合物,如何讓其通過直徑只有20μm(微米)近似于頭發絲那么細的打印機噴嘴,成為最大的難題。同時,這種粘結劑還要能被動物乃至人體環境所接受。 為了找到這種合適的粘結劑,汪焰恩共試驗了上百種不同的方案,用壞的噴嘴裝滿了好幾個大箱子。終于,他找到了一種酸堿度類似于生物體環境,且性質良好不會堵塞噴嘴的粘合劑。

經過多年探索,汪焰恩和他的學生已經能將羥基磷灰石、粘合劑、細胞液、蛋白液(生長因子)等按照不同個體的骨骼性質,對打印材料進行科學配比,從而打印最適合被植入個體的人造仿生骨。

打出骨骼精密結構

自然骨不僅外觀形態非常不規則,而且其內部結構也比較復雜,不同部位的密度不一。想要讓人造骨在結構上模仿自然骨,是極具挑戰的。汪焰恩發明了活性生物陶瓷仿生骨3D打印技術,解決了“怎么打”的問題。

在配比材料、鋪粉打印環節。傳統3D打印的材料單一、密度一致、粉體單一、鋪粉均勻,難以滿足仿生骨的打印需求。汪焰恩不僅研制了一套打印控制系統,還攻克了打印的關鍵機械技術,實現了仿生打印的結構復雜、密度不均、復合粉體和非均一鋪粉。這套設備獨創的常溫壓電超微霧化噴灑技術,突破了細胞液、蛋白液噴灑速度、噴灑量難以精細控制的技術瓶頸,處于國際先進水平。

動物試驗表明,仿生骨在植入動物受體體內后,能夠很好地發育,也就是通過受體的新陳代謝,使自體細胞在人造骨中生長,并最終完全長成自體骨。

在西北工業大學與中國人民解放軍空軍軍醫大學(后建簡稱空軍軍醫大學)的聯合動物試驗中,尚未發現排異反應的案例。

經過檢測,該3D打印活性仿生骨與天然骨成份、結構、力學等性能達到高度一致。與其他類似3D打印技術相比,具有明顯的技術優勢。

汪焰恩教授透露:“下一步,我們將繼續探索真皮層中汗腺、毛囊、皮脂腺等結構的穩定打印技術,做到與自然皮膚非常接近。” 目前,在3D打印兔子皮膚的植入試驗中,仿生皮膚比自體皮膚愈合時間短25%。

西北工業大學正在與空軍軍醫大學進行合作,雙方共同探索3D打印活性仿生骨等的應用。未來,也許這項技術能夠更好地治愈骨缺損、皮膚損傷等患者,為他們的生活注入新的希望。

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