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                【人民網】3D打印可生長發育仿生骨 可與自然骨性能一致

                發布時間:2019-06-21 16:20:43   作者:本站編輯  來源:本站原創  瀏覽次數:


                      原標題:厲害了!3D打印可生長發育仿生骨 與自然骨性能達到高度一致


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                      硬骨3D打印機


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                      3D打印仿生骨的宏觀和微觀結構與自然骨高度相似


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                      西工大生物3D打印實驗室


                      近日,西北工業大學汪焰恩教授團隊的3D打印活性仿生骨技術取得突破性進展,團隊研制的3D打印活性仿生骨可以做到與自然骨的成份、結構、力學性能達到高度一致。動物活體試驗顯示,該技術制造的仿生骨可在生物體內“發育”,還能讓自體細胞在人造骨中生長,最終將人造骨與自然骨很好地生長在一起,融入動物體內環境。目前,該團隊已掌握3D打印仿生骨、軟骨和皮膚的技術。


                      骨缺損是骨科臨床最常見的疾病之一。據統計,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。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。


                      為了克服這項難題,科學家進行了不懈努力。隨著3D打印技術的出現,以生物陶瓷為材料的3D打印骨,成為公認最為理想的骨填充材料。近年來,國外研究機構研發了3D打印生物陶瓷骨植入醫療器械。然而,該技術因采用酸性粘結劑和功能梯度,仍未實現陶瓷骨的完全降解,在植入后會給患者帶來劇烈疼痛等副作用。


                      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”的目標。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媽媽?!泵慨斂粗袆硬蛔兊哪赣H,他總是特別心疼。


                      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。


                      汪焰恩說:“也許在搞化學的人看來,找到一種能夠粘結羥基磷灰石的材料非常簡單,但是,當這個問題一旦限定在3D打印和在人體上應用時,就變得異常復雜了?!?/p>


                      首先,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,汪焰恩和他的團隊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。


                      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。首先,利用激光對被打印對象進行片層掃描,還原對象的宏觀和微觀結構。再配比材料、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。


                      同時,團隊還建立了仿生骨與自然骨滲透率檢測設備,實現了仿生骨發育能力簡便、快速、客觀的評估。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。


                      “從目前的試驗來看,我們還不能明確指出仿生骨在受體體內會產生哪些副作用。這可能需要長時間的跟蹤研究,才能有所發現?!蓖粞娑鞯脑捳Z中充滿了科學的嚴謹。


                      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。據悉,其團隊已經掌握了仿生骨、軟骨和皮膚的3D打印技術?!跋乱徊?,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?!眻F隊成員魏慶華說。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%。


                      受訪專家:西北工業大學機電學院工業工程系教授汪焰恩

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                      人民日報客戶端、中國日報、騰訊網、東方新聞等報道

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