3D打印“仿生骨”难题是这样攻克的——记西北工业大学汪焰恩教授团队

2019-04-18 15:40:34 来源: 科技日报 作者: 史俊斌

本报记者 史俊斌  通讯员 赵珍

骨缺损是骨科临床最常见的疾病之一。我国每分钟就有7人因交通事故导致严重伤残,每年约有1000多万骨缺损患者。骨缺损修复重建一直是国际临床难题。听说西北工业大学汪焰恩教授团队研制的3D打印活性仿生骨可在生物体内“发育”,做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致,已经到了“以假乱真”程度!科技日报记者近日深入西工大一探究竟。

用自己的努力治愈母亲腿伤

“传统金属、高分子材料存在仿生结构不可控、力学性能不匹配、生物相容性差、无发育功能、运动错位、磨损等术后并发症。尤其是没有生物学活性的假体,无法在人体内发育,不能与自然骨良好地融合,需要二次手术修复。”见到记者,汪焰恩教授开口就如此坦言。2004年,还是西工大一名博士研究生的汪焰恩,就为自己立下了“研制人造骨3D打印技术及装备”的flag。对于这一想法的源起,汪焰恩坦言:“我母亲的腿有残疾,当时我只是单纯希望能通过自己的努力治愈她的病伤。”每每看到行动不变的她,我总是特别心疼。”“刚开始的想法很简单,以为只要把程序编出来,把控制系统做好,就能打印出人造骨。”汪焰恩沉默了一下,接着说:“那时的我知道这件事比较困难,但没有想到难的人曾经都有放弃的念头!”

从基础理论的探索,到粘合剂的选择和打印材料的配比,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;从动物实验,到检测设备的研发。汪焰恩用15年的时间,从一个生物3D打印的门外汉到今天的专家,走出了一条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,最核心的技术就在于“仿生”。

由于传统陶瓷骨与自然骨的各项性能仍有较大差异,不能实现在动物体内的良好发育。为解决这一问题,汪焰恩首先从打印材料入手。羟基磷灰石是目前世界通用的仿人骨材料,然而,如何将粉末状的羟基磷灰石粘合起来,一直是个难题。国外就是因为采用了酸性粘结剂,而给被植入者带来术后痛苦。粘结剂大多是粘稠和表面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,成为最大的难题。同时,这种粘结剂还要能被动物乃至人体环境所接受。 为了找到这种合适的粘结剂,汪焰恩共试验了上百种不同的方案,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环境,且性质良好不会堵塞喷嘴的粘合剂。

经过多年探索,汪焰恩和他的学生已经能将羟基磷灰石、粘合剂、细胞液、蛋白液(生长因子)等按照不同个体的骨骼性质,对打印材料进行科学配比,从而打印最适合被植入个体的人造仿生骨。

打出骨骼精密结构

自然骨不仅外观形态非常不规则,而且其内部结构也比较复杂,不同部位的密度不一。想要让人造骨在结构上模仿自然骨,是极具挑战的。汪焰恩发明了活性生物陶瓷仿生骨3D打印技术,解决了“怎么打”的问题。

在配比材料、铺粉打印环节。传统3D打印的材料单一、密度一致、粉体单一、铺粉均匀,难以满足仿生骨的打印需求。汪焰恩不仅研制了一套打印控制系统,还攻克了打印的关键机械技术,实现了仿生打印的结构复杂、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、蛋白液喷洒速度、喷洒量难以精细控制的技术瓶颈,处于国际先进水平。

动物试验表明,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(后建简称空军军医大学)的联合动物试验中,尚未发现排异反应的案例。

经过检测,该3D打印活性仿生骨与天然骨成份、结构、力学等性能达到高度一致。与其他类似3D打印技术相比,具有明显的技术优势。

汪焰恩教授透露:“下一步,我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,做到与自然皮肤非常接近。” 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合时间短25%。

西北工业大学正在与空军军医大学进行合作,双方共同探索3D打印活性仿生骨等的应用。未来,也许这项技术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。

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责任编辑:值班主任
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