仿生骨與天然骨的區(qū)別。（西北工業(yè)大學(xué)供圖）
記者從西北工業(yè)大學(xué)了解到，近日，該校機電學(xué)院汪焰恩教授團隊的3D打印活性仿生骨技術(shù)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(jié)構(gòu)、力學(xué)性能達到高度一致。
動物活體試驗顯示，該技術(shù)制造的仿生骨可在生物體內(nèi)“發(fā)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(nèi)環(huán)境。據(jù)了解，這項技術(shù)的主要參數(shù)指標已經(jīng)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(shù)。
3D打印人造骨或?qū)楣侨睋p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(fù)重建一直是全球臨床難題。
傳統(tǒng)金屬、高分子材料人造骨存在仿生結(jié)構(gòu)不可控、力學(xué)性能不匹配、生物相容性差、無發(fā)育功能、運動錯位磨損等問題，術(shù)后并發(fā)癥多發(fā)。尤其是沒有生物學(xué)活性的假體，無法在人體內(nèi)發(fā)育，不能與自然骨良好地融合，需要二次手術(shù)修復(fù)。
為了克服這項難題，世界各國科學(xué)家進行了不懈努力。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，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(yī)療3D打印起步于上世紀90年代，由美國科學(xué)家首先提出，起初是利用3D打印技術(shù)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(yōu)勢，引發(fā)了生物醫(yī)療界的追捧。經(jīng)過20余年的發(fā)展，該技術(shù)已初步在臨床應(yīng)用。
近年來，國外研究機構(gòu)研發(fā)了3D打印生物陶瓷骨植入醫(yī)療器械。然而，該技術(shù)因采用酸性粘結(jié)劑和功能梯度，仍未實現(xiàn)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(nèi)，目前此項研究（包括本文中的西北工業(yè)大學(xué)3D打印仿生骨技術(shù)在內(nèi)）基本仍停留在動物試驗階段，因此，3D打印陶瓷骨離臨床應(yīng)用還有一段距離。
2004年，還是西北工業(yè)大學(xué)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(shù)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(chǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)計，到硬件開發(fā)和控制系統(tǒng)；從動物試驗，到檢測設(shè)備的研發(fā)，汪焰恩用15年，走出了一條生物3D打印從理論研究到應(yīng)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(shù)就在于“仿生”。
由于傳統(tǒng)陶瓷骨與自然骨的各項性能仍有較大差異，不能實現(xiàn)在動物體內(nèi)的良好發(fā)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(jié)劑，而給被植入者帶來術(shù)后痛苦。
汪焰恩說：“也許在搞化學(xué)的人看來，找到一種能夠粘結(jié)羥基磷灰石的材料非常簡單，但當(dāng)這個問題被限定在3D打印和人體上應(yīng)用，就變得異常復(fù)雜了。”
首先，粘結(jié)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(fā)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(huán)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(huán)境，且性質(zhì)良好不會堵塞噴嘴的粘合劑。
經(jīng)過多年探索，汪焰恩和他的學(xué)生已經(jīng)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(zhì)，對打印材料進行科學(xué)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(jié)構(gòu)
自然骨不僅外觀形態(tài)非常不規(guī)則，而且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，不同部位的密度不一。想要讓人造骨在結(jié)構(gòu)上模仿自然骨，是極具挑戰(zhàn)的。
汪焰恩發(fā)明的活性生物陶瓷仿生骨3D打印技術(shù)，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(jié)構(gòu)。
在配比材料、鋪粉打印環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)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(tǒng)，還攻克了打印的關(guān)鍵機械技術(shù)，實現(xiàn)了仿生打印的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密度不均、復(fù)合粉體和非均一鋪粉。
這套設(shè)備獨創(chuàng)的常溫壓電超微霧化噴灑技術(shù)，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(shù)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(nèi)后，能夠很好地發(fā)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(yè)大學(xué)與中國人民解放軍空軍軍醫(yī)大學(xué)（以下簡稱“空軍軍醫(yī)大學(xué)”）的聯(lián)合動物試驗中，尚未發(fā)現(xiàn)排異反應(yīng)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(nèi)會產(chǎn)生哪些副作用。這可能需要長時間的跟蹤研究，才能有所發(fā)現(xiàn)。”汪焰恩說。
經(jīng)過檢測，該3D打印活性仿生骨與天然骨成分、結(jié)構(gòu)、力學(xué)等性能達到高度一致。與其他類似3D打印技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢。
汪焰恩教授透露，團隊目前已經(jīng)掌握了仿生骨、軟骨和皮膚的3D打印技術(shù)。下一步，他們將繼續(xù)探索真皮層中汗腺、毛囊、皮脂腺等結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定打印技術(shù)。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(yīng)用，3D打印仿生骨和皮膚還有很長的路要走。現(xiàn)在，他們正在與空軍軍醫(yī)大學(xué)合作，共同探索3D打印活性仿生骨等應(yīng)用。未來，這項技術(shù)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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