西工大3D打印活性仿生骨可在生物體內(nèi)發(fā)育

來(lái)源：西安晚報(bào)

據(jù)了解,， 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院的汪焰恩教授探索了一條生物醫(yī)療3D打印的新路徑，將3D打印技術(shù)運(yùn)用于3D打印活性仿生骨領(lǐng)域,。在目前的動(dòng)物試驗(yàn)中,，所制作的3D打印活性仿生骨可以做到與自然骨的成份、結(jié)構(gòu),、力學(xué)性能達(dá)到高度一致,。動(dòng)物活體試驗(yàn)顯示，該技術(shù)制造的仿生骨可在生物體內(nèi)“發(fā)育”,。

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打印仿生骨最大的難點(diǎn)在于“活性”
打印仿生骨,，最大的難點(diǎn)就在于“活性”，如何做到與原生骨高度相似,，如何能與生物體“完美兼容”,，甚至替代原生骨的功能？這為這項(xiàng)技術(shù)提出了巨大的難點(diǎn),，也是科學(xué)家竭力探索的關(guān)鍵,。

在目前的動(dòng)物試驗(yàn)中，汪焰恩教授所制作的3D打印活性仿生骨可以做到與自然骨的成份,、結(jié)構(gòu),、力學(xué)性能達(dá)到高度一致，甚至可以“以假亂真”,！動(dòng)物活體試驗(yàn)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(xì)胞在人造骨中生長(zhǎng),，最終將人造骨與自然骨很好地生長(zhǎng)在一起,，較好融入動(dòng)物體內(nèi)環(huán)境。這項(xiàng)技術(shù)的主要參數(shù)指標(biāo)目前已經(jīng)處于先進(jìn)水平,！

未來(lái)3D打印人造骨或?yàn)楣侨睋p治療帶來(lái)新希望
骨缺損是骨科臨床最常見(jiàn)的疾病之一,。骨缺損修復(fù)重建一直是國(guó)際臨床難題。傳統(tǒng)金屬、高分子材料存在仿生結(jié)構(gòu)不可控,、力學(xué)性能不匹配,、生物相容性差、無(wú)發(fā)育功能,、運(yùn)動(dòng)錯(cuò)位,、磨損等術(shù)后并發(fā)癥。尤其是沒(méi)有生物學(xué)活性的假體,，無(wú)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),。

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為了克服這項(xiàng)難題,，科學(xué)家進(jìn)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(rèn)最為理想的骨填充材料。生物醫(yī)療3D打印起步于上世紀(jì)90年代,，由美國(guó)科學(xué)家首先提出,。近年來(lái)，國(guó)外研究機(jī)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(shí)現(xiàn)陶瓷骨的完全降解,，在植入后會(huì)給患者帶來(lái)劇烈疼痛等副作用,。

據(jù)了解，在國(guó)內(nèi),，目前此項(xiàng)研究（包括西工大3D打印仿生骨技術(shù)在內(nèi)）基本仍停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段,，因此，3D打印陶瓷骨離臨床應(yīng)用,，還有一段距離,。

希望通過(guò)自己的努力治愈母親腿傷
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(shù)及裝備”的志向,。對(duì)于這一想法的源起，汪焰恩坦言：“我母親的腿有殘疾,，當(dāng)時(shí)我只是單純希望能通過(guò)自己的努力治愈媽媽,。”每當(dāng)看著行動(dòng)不變的母親,，他總是特別心疼,。

從基礎(chǔ)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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，到硬件開(kāi)發(fā)和控制系統(tǒng)；從動(dòng)物實(shí)驗(yàn),，到檢測(cè)設(shè)備的研發(fā),。汪焰恩用15年的時(shí)間，從一個(gè)生物3D打印的門(mén)外漢到今天的專(zhuān)家,，走出了一條從理論研究到應(yīng)用探索的新路徑,。

讓人造骨“活”起來(lái)
汪焰恩團(tuán)隊(duì)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(xiàng)性能仍有較大差異,，不能實(shí)現(xiàn)在動(dòng)物體內(nèi)的良好發(fā)育。為解決這一問(wèn)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(lái)，一直是個(gè)難題,。國(guó)外就是因?yàn)椴捎昧怂嵝哉辰Y(jié)劑,，而給被植入者帶來(lái)術(shù)后痛苦。

汪焰恩說(shuō)：“也許在搞化學(xué)的人看來(lái),，找到一種能夠粘結(jié)羥基磷灰石的材料非常簡(jiǎn)單,，但是，當(dāng)這個(gè)問(wèn)題一旦限定在3D打印和在人體上應(yīng)用時(shí),，就變得異常復(fù)雜了,。”

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首先,，粘結(jié)劑大多是粘稠和表面張力大的有機(jī)化合物,，如何讓其通過(guò)直徑只有20μm（微米）近似于頭發(fā)絲那么細(xì)的打印機(jī)噴嘴，成為最大的難題,。同時(shí),，這種粘結(jié)劑還要能被動(dòng)物乃至人體環(huán)境所接受。

為了找到這種合適的粘結(jié)劑,，汪焰恩共試驗(yàn)了上百種不同的方案,，用壞的噴嘴裝滿(mǎn)了好幾個(gè)大箱子。終于,，他找到了一種酸堿度類(lèi)似于生物體環(huán)境,，且性質(zhì)良好不會(huì)堵塞噴嘴的粘合劑,。

經(jīng)過(guò)多年探索，汪焰恩和他的學(xué)生已經(jīng)能將羥基磷灰石,、粘合劑,、細(xì)胞液、蛋白液（生長(zhǎng)因子）等按照不同個(gè)體的骨骼性質(zhì),，對(duì)打印材料進(jìn)行科學(xué)配比,，從而打印最適合被植入個(gè)體的人造仿生骨干材料。

發(fā)明活性生物陶瓷仿生骨3D打印技術(shù)
自然骨不僅外觀(guān)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)明了活性生物陶瓷仿生骨3D打印技術(shù)，解決了“怎么打”的問(wèn)題,。

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(jī)械技術(shù)，實(shí)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(dú)創(chuàng)的常溫壓電超微霧化噴灑技術(shù),，突破了細(xì)胞液,、蛋白液噴灑速度、噴灑量難以精細(xì)控制的技術(shù)瓶頸,，處于國(guó)際先進(jìn)水平,。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還建立了仿生骨與自然骨滲透率檢測(cè)設(shè)備,，實(shí)現(xiàn)了仿生骨發(fā)育能力簡(jiǎn)便,、快速、客觀(guān)的評(píng)估,。動(dòng)物試驗(yàn)表明,，仿生骨在植入動(dòng)物受體體內(nèi)后，能夠很好地發(fā)育,，可通過(guò)受體的新陳代謝,，使自體細(xì)胞在人造骨中生長(zhǎng)，并最終完全長(zhǎng)成自體骨,。

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在西北工業(yè)大學(xué)與中國(guó)人民解放軍空軍軍醫(yī)大學(xué)的聯(lián)合動(dòng)物試驗(yàn)中,，尚未發(fā)現(xiàn)排異反應(yīng)的案例�,！皬哪壳暗脑囼�(yàn)來(lái)看,，我們還不能明確指出仿生骨在受體體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生哪些副作用,。這可能需要長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤研究，才能有所發(fā)現(xiàn),�,！蓖粞娑髡f(shuō)。經(jīng)過(guò)檢測(cè),，該3D打印活性仿生骨與天然骨成份,、結(jié)構(gòu)、力學(xué)等性能達(dá)到高度一致,。與其他類(lèi)似3D打印技術(shù)相比,，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

另?yè)?jù)汪焰恩教授透露,，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了仿生骨,、軟骨和皮膚的3D打印技術(shù)�,！跋乱徊�,，我們將繼續(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),，做到與自然皮膚非常接近�,！眻F(tuán)隊(duì)老師魏慶華說(shuō),。目前，在3D打印兔子皮膚的植入試驗(yàn)中,，仿生皮膚比自體皮膚愈合時(shí)間短25%。

從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)到臨床應(yīng)用,，3D打印仿生骨和皮膚還有很長(zhǎng)很長(zhǎng)的路要走�,，F(xiàn)在，汪焰恩教授正在與空軍軍醫(yī)大學(xué)進(jìn)行合作,，雙方共同探索3D打印活性仿生骨等的應(yīng)用,。

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