西北工業(yè)大學：3D打印活性仿生骨研究取得突破性進展

來源：中國青年報

近日,，從西北工業(yè)大學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(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,。

生骨與天然骨的區(qū)別,。（西北工業(yè)大學供圖）

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(tǒng)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(fā)育功能、運動錯位磨損等問題,，術后并發(fā)癥多發(fā),。尤其是沒有生物學活性的假體，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(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(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,，該技術已初步在臨床應用。

近年來,，國外研究機構研發(fā)了3D打印生物陶瓷骨植入醫(yī)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(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3D打印仿生骨技術在內(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用還有一段距離,。

2004年,，還是西北工業(yè)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(fā)和控制系統(tǒng)；從動物試驗,，到檢測設備的研發(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(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,。”

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(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,，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(tài)非常不規(guī)則,，而且其內(nèi)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(zhàn)的。汪焰恩發(fā)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(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),，還攻克了打印的關鍵機械技術,，實現(xiàn)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(chuàng)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(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)大學與中國人民解放軍空軍軍醫(yī)大學（以下簡稱“空軍軍醫(yī)大學”）的聯(lián)合動物試驗中,，尚未發(fā)現(xiàn)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(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),�,！蓖粞娑髡f。

經(jīng)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(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。下一步,，他們將繼續(xù)探索真皮層中汗腺,、毛囊、皮脂腺等結構的穩(wěn)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(xiàn)在,，他們正在與空軍軍醫(yī)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,。