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                【中國青年報】西北工業大學:3D打印活性仿生骨研究取得突破性進展

                發布時間:2019-08-16 15:48:26   作者:本站編輯  來源:本站原創  瀏覽次數:


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                仿生骨與天然骨的區別。(西北工業大學供圖)


                      中國青年報·中國青年網記者從西北工業大學了解到,近日,該校機電學院汪焰恩教授團隊的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分、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”,甚至使自體細胞在人造骨中生長,最終,人造骨與自然骨很好地生長在一起,較好融入動物體內環境。據了解,這項技術的主要參數指標已經處于先進水平,與此同時,該團隊目前也掌握了3D打印仿生骨、軟骨和皮膚的技術。


                      3D打印人造骨或將為骨缺損治療帶來新希望


                      骨缺損是骨科臨床常見疾病,每年約有1000多萬骨缺損患者,骨缺損修復重建一直是全球臨床難題。


                      傳統金屬、高分子材料人造骨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、運動錯位磨損等問題,術后并發癥多發。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,世界各國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。



                      生物醫療3D打印起步于上世紀90年代,由美國科學家首先提出,起初是利用3D打印技術制作人工組織工程支架。因3D打印具備個性化定制的顯著優勢,引發了生物醫療界的追捧。經過20余年的發展,該技術已初步在臨床應用。


                      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。在國內,目前此項研究(包括本文中的西北工業大學3D打印仿生骨技術在內)基本仍停留在動物試驗階段,因此,3D打印陶瓷骨離臨床應用還有一段距離。


                      2004年,還是西北工業大學一名博士研究生的汪焰恩,痛心于自己母親腿有殘疾,為自己立下了“研制人造骨3D打印技術及裝備”的目標。在此后的十幾年間,他克服重重困難在仿生骨3D打印這個方向上堅持了下來。從基礎理論的探索,


                      到黏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;從動物試驗,到檢測設備的研發,汪焰恩用15年,走出了一條生物3D打印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,但當這個問題被限定在3D打印和人體上應用,就變得異常復雜了?!?/p>


                      首先,粘結劑大多是黏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,這種粘合劑還要能被動物乃至人體環境接受。


                      為了找到這種合適的粘合劑,汪焰恩嘗試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、黏合劑、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人體的人造仿生骨。


                      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。


                      汪焰恩發明的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。


                      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(以下簡稱“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?!蓖粞娑髡f。


                      經過檢測,該3D打印活性仿生骨與天然骨成分、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,具有明顯的優勢。


                      汪焰恩教授透露,團隊目前已經掌握了仿生骨、軟骨和皮膚的3D打印技術。下一步,他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。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%。


                      汪焰恩說,從動物試驗到臨床應用,3D打印仿生骨和皮膚還有很長的路要走?,F在,他們正在與空軍軍醫大學合作,共同探索3D打印活性仿生骨等應用。未來,這項技術將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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