硬骨3D打印機

3D打印仿生骨的宏觀和微觀結構與自然骨高度相似

西工大生物3D打印實驗室

近日，西北工業大學汪焰恩教授團隊的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份、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”，還能讓自體細胞在人造骨中生長，最終將人造骨與自然骨很好地生長在一起，融入動物體內環境。目前，該團隊已掌握3D打印仿生骨、軟骨和皮膚的技術。

骨缺損是骨科臨床最常見的疾病之一。據統計，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。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。

為了克服這項難題，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。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。

2004年，還是西工大一名博士研究生的汪焰恩，就為自己立下了“研制人造骨3D打印技術及裝備”的目標。對于這一想法的源起，汪焰恩坦言：“我母親的腿有殘疾，當時我只是單純希望能通過自己的努力治愈媽媽。”每當看著行動不變的母親，他總是特別心疼。

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。國外就是因為采用了酸性粘結劑，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，但是，當這個問題一旦限定在3D打印和在人體上應用時，就變得異常復雜了。”

首先，粘結劑大多是粘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粘結劑，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粘合劑。

經過多年探索，汪焰恩和他的團隊已經能將羥基磷灰石、粘合劑、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。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。再配比材料、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，實現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。

同時，團隊還建立了仿生骨與自然骨滲透率檢測設備，實現了仿生骨發育能力簡便、快速、客觀的評估。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(后建簡稱空軍軍醫大學)的聯合動物試驗中，尚未發現排異反應的案例。

“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會產生哪些副作用。這可能需要長時間的跟蹤研究，才能有所發現。”汪焰恩的話語中充滿了科學的嚴謹。

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。

據悉，其團隊已經掌握了仿生骨、軟骨和皮膚的3D打印技術。“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。”團隊成員魏慶華說。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%。

受訪專家：西北工業大學機電學院工業工程系教授汪焰恩

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