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西北工業大學：3D打印活性仿生骨研究取得突破性進展或將為骨缺損治療帶來新希望

來源：中國青年報發布時間：2019-07-26 14:46:52

中國青年報·中國青年網記者從西北工業大學了解到，近日，該校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“發育”，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，較好融入動物體內環境。據了解，這項技術的主要參數指標已經處于先進水平，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。

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、無發育功能、運動錯位磨損等問題，術后并發癥多發。尤其是沒有生物學活性的假體，無法在人體內發育，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，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勢，引發了生物醫療界的追捧。經過20余年的發展，該技術已初步在臨床應用。

近年來，國外研究機構研發了3D打印生物陶瓷骨植入醫療器械。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，目前此項研究(包括本文中的西北工業大學3D打印仿生骨技術在內)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，到硬件開發和控制系統;從動物試驗，到檢測設備的研發，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”。

由于傳統陶瓷骨與自然骨的各項性能仍有較大差異，不能實現在動物體內的良好發育。

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境，且性質良好不會堵塞噴嘴的粘合劑。

經過多年探索，汪焰恩和他的學生已經能將羥基磷灰石、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非常不規則，而且其內部結構也比較復雜，不同部位的密度不一。想要讓人造骨在結構上模仿自然骨，是極具挑戰的。

汪焰恩發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。