西工大3D打印活性仿生骨可在生物體內(nèi)發(fā)育

來源：西安晚報

據(jù)了解， 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院的汪焰恩教授探索了一條生物醫(yī)療3D打印的新路徑，將3D打印技術(shù)運用于3D打印活性仿生骨領(lǐng)域。在目前的動物試驗中，所制作的3D打印活性仿生骨可以做到與自然骨的成份、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能達(dá)到高度一致。動物活體試驗顯示，該技術(shù)制造的仿生骨可在生物體內(nèi)“發(fā)育”。

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打印仿生骨最大的難點在于“活性”
打印仿生骨，最大的難點就在于“活性”，如何做到與原生骨高度相似，如何能與生物體“完美兼容”，甚至替代原生骨的功能？這為這項技術(shù)提出了巨大的難點，也是科學(xué)家竭力探索的關(guān)鍵。

在目前的動物試驗中，汪焰恩教授所制作的3D打印活性仿生骨可以做到與自然骨的成份、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能達(dá)到高度一致，甚至可以“以假亂真”！動物活體試驗顯示，該技術(shù)制造的仿生骨可在生物體內(nèi)“發(fā)育”，甚至使自體細(xì)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，較好融入動物體內(nèi)環(huán)境。這項技術(shù)的主要參數(shù)指標(biāo)目前已經(jīng)處于先進(jìn)水平！

未來3D打印人造骨或為骨缺損治療帶來新希望
骨缺損是骨科臨床最常見的疾病之一。骨缺損修復(fù)重建一直是國際臨床難題。傳統(tǒng)金屬、高分子材料存在仿生結(jié)構(gòu)不可控、力學(xué)性能不匹配、生物相容性差、無發(fā)育功能、運動錯位、磨損等術(shù)后并發(fā)癥。尤其是沒有生物學(xué)活性的假體，無法在人體內(nèi)發(fā)育，不能與自然骨良好地融合，需要二次手術(shù)修復(fù)。

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為了克服這項難題，科學(xué)家進(jìn)行了不懈努力。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，以生物陶瓷為材料的3D打印骨，成為公認(rèn)最為理想的骨填充材料。生物醫(yī)療3D打印起步于上世紀(jì)90年代，由美國科學(xué)家首先提出。近年來，國外研究機(jī)構(gòu)研發(fā)了3D打印生物陶瓷骨植入醫(yī)療器械。然而，該技術(shù)因采用酸性粘結(jié)劑和功能梯度，仍未實現(xiàn)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。

據(jù)了解，在國內(nèi)，目前此項研究（包括西工大3D打印仿生骨技術(shù)在內(nèi)）基本仍停留在動物實驗階段，因此，3D打印陶瓷骨離臨床應(yīng)用，還有一段距離。

希望通過自己的努力治愈母親腿傷
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(shù)及裝備”的志向。對于這一想法的源起，汪焰恩坦言：“我母親的腿有殘疾，當(dāng)時我只是單純希望能通過自己的努力治愈媽媽�！泵慨�(dāng)看著行動不變的母親，他總是特別心疼。

從基礎(chǔ)理論的探索，到粘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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，到硬件開發(fā)和控制系統(tǒng)；從動物實驗，到檢測設(shè)備的研發(fā)。汪焰恩用15年的時間，從一個生物3D打印的門外漢到今天的專家，走出了一條從理論研究到應(yīng)用探索的新路徑。

讓人造骨“活”起來
汪焰恩團(tuán)隊研制的3D打印仿生骨，最核心的技術(shù)就在于“仿生”。由于傳統(tǒng)陶瓷骨與自然骨的各項性能仍有較大差異，不能實現(xiàn)在動物體內(nèi)的良好發(fā)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(jié)劑，而給被植入者帶來術(shù)后痛苦。

汪焰恩說：“也許在搞化學(xué)的人看來，找到一種能夠粘結(jié)羥基磷灰石的材料非常簡單，但是，當(dāng)這個問題一旦限定在3D打印和在人體上應(yīng)用時，就變得異常復(fù)雜了�！�

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首先，粘結(jié)劑大多是粘稠和表面張力大的有機(jī)化合物，如何讓其通過直徑只有20μm（微米）近似于頭發(fā)絲那么細(xì)的打印機(jī)噴嘴，成為最大的難題。同時，這種粘結(jié)劑還要能被動物乃至人體環(huán)境所接受。

為了找到這種合適的粘結(jié)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(huán)境，且性質(zhì)良好不會堵塞噴嘴的粘合劑。

經(jīng)過多年探索，汪焰恩和他的學(xué)生已經(jīng)能將羥基磷灰石、粘合劑、細(xì)胞液、蛋白液（生長因子）等按照不同個體的骨骼性質(zhì)，對打印材料進(jìn)行科學(xué)配比，從而打印最適合被植入個體的人造仿生骨干材料。

發(fā)明活性生物陶瓷仿生骨3D打印技術(shù)
自然骨不僅外觀形態(tài)非常不規(guī)則，而且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，不同部位的密度不一。想要讓人造骨在結(jié)構(gòu)上模仿自然骨，是極具挑戰(zhàn)的。汪焰恩發(fā)明了活性生物陶瓷仿生骨3D打印技術(shù)，解決了“怎么打”的問題。

汪焰恩不僅研制了一套打印控制系統(tǒng)，還攻克了打印的關(guān)鍵機(jī)械技術(shù)，實現(xiàn)了仿生打印的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密度不均、復(fù)合粉體和非均一鋪粉。這套設(shè)備獨創(chuàng)的常溫壓電超微霧化噴灑技術(shù)，突破了細(xì)胞液、蛋白液噴灑速度、噴灑量難以精細(xì)控制的技術(shù)瓶頸，處于國際先進(jìn)水平。

同時，團(tuán)隊還建立了仿生骨與自然骨滲透率檢測設(shè)備，實現(xiàn)了仿生骨發(fā)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(nèi)后，能夠很好地發(fā)育，可通過受體的新陳代謝，使自體細(xì)胞在人造骨中生長，并最終完全長成自體骨。

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在西北工業(yè)大學(xué)與中國人民解放軍空軍軍醫(yī)大學(xué)的聯(lián)合動物試驗中，尚未發(fā)現(xiàn)排異反應(yīng)的案例�！皬哪壳暗脑囼瀬砜�，我們還不能明確指出仿生骨在受體體內(nèi)會產(chǎn)生哪些副作用。這可能需要長時間的跟蹤研究，才能有所發(fā)現(xiàn)�！蓖粞娑髡f。經(jīng)過檢測，該3D打印活性仿生骨與天然骨成份、結(jié)構(gòu)、力學(xué)等性能達(dá)到高度一致。與其他類似3D打印技術(shù)相比，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

另據(jù)汪焰恩教授透露，團(tuán)隊已經(jīng)掌握了仿生骨、軟骨和皮膚的3D打印技術(shù)�！跋乱徊�，我們將繼續(xù)探索真皮層中汗腺、毛囊、皮脂腺等結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定打印技術(shù)，做到與自然皮膚非常接近�！眻F(tuán)隊老師魏慶華說。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%。

從動物實驗到臨床應(yīng)用，3D打印仿生骨和皮膚還有很長很長的路要走�，F(xiàn)在，汪焰恩教授正在與空軍軍醫(yī)大學(xué)進(jìn)行合作，雙方共同探索3D打印活性仿生骨等的應(yīng)用。

來源：西安日報