3D打印仿生骨 最核心的技術就在于“仿生”

  • 科技日報
  • 2019-06-05 14:45:58

骨缺損是骨科臨床最常見的疾病之一。我國每分鐘就有7人因交通事故導致嚴重傷殘,每年約有1000多萬骨缺損患者。骨缺損修復重建一直是國際臨床難題。西北工業大學汪焰恩教授團隊近日在英國《聚合物》(Polymer)雜志發表論文稱,他們研制的3D打印活性仿生骨可在生物體內“發育”,做到與自然骨的成份、結構、力學性能達到高度一致,已經到了“以假亂真”的程度!科技日報記者近日深入西北工業大學一探究竟。

最核心的技術在于“仿生”

“傳統金屬、高分子材料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、磨損等術后并發癥。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。”見到記者,汪焰恩教授開口就如此坦言。

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黏合起來,一直是個難題。國外就是因為采用了酸性黏結劑,而給被植入者帶來術后痛苦。黏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20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,這種黏結劑還要能被動物乃至人體環境所接受。為了找到這種合適的黏結劑,汪焰恩共試驗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黏合劑。

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個體的人造仿生骨。

自體細胞在人造骨中生長

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。汪焰恩發明了活性生物陶瓷仿生骨3D打印技術,解決了“怎么打”的問題。

在配比材料、鋪粉打印環節,傳統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,還攻克了打印的關鍵機械技術。這套設備獨創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后,能夠很好地發育,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。

在西北工業大學與中國人民解放軍空軍軍醫大學的聯合動物試驗中,尚未發現排異反應的案例。

經過檢測,該3D打印活性仿生骨與天然骨成份、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,具有明顯的技術優勢。

汪焰恩透露:“下一步,我們將繼續探索真皮層中汗腺、毛囊、皮脂腺等結構的穩定打印技術,做到與自然皮膚非常接近。”目前,他們在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%。未來,也許這項技術能為骨缺損、皮膚損傷等患者帶來治愈希望。

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