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西北工业大学——3D打印活性仿生骨研究取得突破性进展

宣布时间：

2023-01-11 12:47

　　近日 ，从西北工业大学机电学院汪焰恩教授团队的3D打印活性仿生骨技术取得突破性进展 ，团队研制的3D打印活性仿生骨可以做到与自然骨的身分、结构、力学性能抵达高度一致。动物活体试验显示 ，该技术制造的仿生骨可在生物体内“发育” ，甚至使自体细胞在人造骨中生长 ，最终 ，人造骨与自然骨很好地生长在一起 ，较好融入动物体内情况。据了解 ，这项技术的主要参数指标已经处于先进水平 ，与此同时 ，该团队目前也掌握了3D打印仿生骨、软骨和皮肤的技术。
 
 
生骨与天然骨的区别。(西北工业大学供图)
　　3D打印人造骨或将为骨缺损治疗带来新希望
　　骨缺损是骨科临床常见疾病 ，每年约有1000多万骨缺损患者 ，骨缺损修复重建一直是全球临床难题。古板金属、高分子质料人造骨保存仿生结构不可控、力学性能不匹配、生物相容性差、无发育功效、运动错位磨损等问题 ，术后并发症多发。尤其是没有生物学活性的假体 ，无法在人体内发育 ，不可与自然骨良好地融合 ，需要二次手术修复。
　　为了克服这项难题 ，世界各国科学家进行了不懈努力。随着3D打印技术的泛起 ，以生物陶瓷为质料的3D打印骨 ，成为公认比较理想的骨填充质料。
　　生物医疗3D打印起步于上世纪90年代 ，由美国科学家首先提出 ，起初是利用3D打印技术制作人工组织工程支架。因3D打印具备个性化定制的显著优势 ，引发了生物医疗界的追捧。经过20余年的生长 ，该技术已开端在临床应用。
　　近年来 ，外洋研究机构研发了3D打印生物陶瓷骨植入医疗器械。然而 ，该技术因接纳酸性粘结剂和功效梯度 ，仍未实现陶瓷骨的完全降解 ，在植入后会给患者带来剧烈疼痛等副作用。在海内 ，目前此项研究(包括本文中的西北工业大学3D打印仿生骨技术在内)基本仍停留在动物试验阶段 ，因此 ，3D打印陶瓷骨离临床应用另有一段距离。
　　2004年 ，照旧西北工业大学一名博士研究生的汪焰恩 ，痛心于自己母亲腿有残疾 ，为自己立下了“研制人造骨3D打印技术及装备”的目标。在今后的十几年间 ，他克服重重困难在仿生骨3D打印这个偏向上坚持了下来。从基础理论的探索 ，到黏合剂的选择和打印质料的配比 ，再到仿生骨生物活性的研究;从打印机的结构设计 ，到硬件开发和控制系统;从动物试验 ，到检测设备的研发 ，汪焰恩用15年 ，走出了一条生物3D打印从理论研究到应用探索的新路径。
　　让人造骨“活”起来
　　汪焰恩团队研制的3D打印仿生骨 ，最焦点的技术就在于“仿生”。由于古板陶瓷骨与自然骨的各项性能仍有较大差别 ，不可实现在动物体内的良好发育。为解决这一问题 ，汪焰恩首先从打印质料入手。羟基磷灰石是目前世界通用的仿人骨质料 ，然而 ，如何将粉末状的羟基磷灰石粘合起来 ，一直是个难题。外洋就是接纳了酸性粘结剂 ，而给被植入者带来术后痛苦。
　　汪焰恩说：“也许在搞化学的人看来 ，找到一种能够粘结羟基磷灰石的质料很是简单 ，但当这个问题被限定在3D打印和人体上应用 ，就变得异常庞大了。”
　　首先 ，粘结剂大多是黏稠和外貌张力大的有机化合物 ，如何让其通过直径只有20μm(微米) ，近似于头发丝那么细的打印机喷嘴 ，成为难题。同时 ，这种粘合剂还要能被动物乃至人体情况接受。
　　为了找到这种合适的粘合剂 ，汪焰恩实验了上百种差别的计划 ，用坏的喷嘴装满了好几个大箱子。终于 ，他找到了一种酸碱度类似于生物体情况 ，且性质良好不会梗塞喷嘴的粘合剂。
　　经过多年探索 ，汪焰恩和他的学生已经能将羟基磷灰石、黏合剂、细胞液、卵白液(生长因子)等凭据差别个体的骨骼性质 ，对打印质料进行科学配比 ，从而打印适合被植入人体的人造仿生骨。
　　打出骨骼精密结构
　　自然骨不但外观形态很是不规则 ，并且其内部结构也比较庞大 ，差别部位的密度纷歧。想要让人造骨在结构上模仿自然骨 ，是极具挑战的。汪焰恩发明的活性生物陶瓷仿生骨3D打印技术 ，解决了“怎么打”的问题。
　　首先 ，利用激光对被打印工具进行片层扫描 ，还原工具的宏观和微观结构。在配比质料、铺粉打印环节 ，古板3D打印的质料简单、密度一致、粉体简单、铺粉均匀 ，难以满足仿生骨的打印需求。汪焰恩不但研制了一套打印控制系统 ，还攻克了打印的要害机械技术 ，实现了仿生打印的结构庞大、密度不均、复合粉体和非均一铺粉。
　　这套设备独创的常温压电超微雾化喷洒技术 ，突破了细胞液、卵白液喷洒速度、喷洒量难以精细控制的技术瓶颈 ，处于国际先进水平。
　　动物试验标明 ，仿生骨在植入动物受体体内后 ，能够很好地发育 ，也就是通过受体的新陈代谢 ，使自体细胞在人造骨中生长 ，并最终完全长成自体骨。在西北工业大学与中国人民解放军空军军医大学(以下简称“空军军医大学”)的联合动物试验中 ，尚未发明排异反应的案例。
　　“从目前的试验来看 ，我们还不可明确指出仿生骨在受体体内会爆发哪些副作用。这可能需要长时间的跟踪研究 ，才华有所发明。”汪焰恩说。
　　经过检测 ，该3D打印活性仿生骨与天然骨身分、结构、力学等性能抵达高度一致。与其他类似3D打印技术相比 ，具有明显的优势。
　　汪焰恩教授透露 ，团队目前已经掌握了仿生骨、软骨和皮肤的3D打印技术。下一步 ，他们将继续探索真皮层中汗腺、毛囊、皮脂腺等结构的稳定打印技术。目前 ，在3D打印兔子皮肤的植入试验中 ，仿生皮肤比自体皮肤愈适时间短25%。
　　汪焰恩说 ，从动物试验惠临床应用 ，3D打印仿生骨和皮肤另有很长的路要走。现在 ，他们正在与空军军医大学相助 ，配合探索3D打印活性仿生骨等应用。未来 ，这项技术将能够更好地治愈骨缺损、皮肤损伤等患者 ，为他们的生活注入新的希望。(来源：中国青年报)

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