西北工業(yè)大學(xué)：3D打印活性仿生骨研究取得突破性進(jìn)展

來源：中國(guó)青年報(bào)

近日，從西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院汪焰恩教授團(tuán)隊(duì)的3D打印活性仿生骨技術(shù)取得突破性進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)研制的3D打印活性仿生骨可以做到與自然骨的成分、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能達(dá)到高度一致。動(dòng)物活體試驗(yàn)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(zhǎng)，最終，人造骨與自然骨很好地生長(zhǎng)在一起，較好融入動(dòng)物體內(nèi)環(huán)境。據(jù)了解，這項(xiàng)技術(shù)的主要參數(shù)指標(biāo)已經(jīng)處于先進(jìn)水平，與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)目前也掌握了3D打印仿生骨、軟骨和皮膚的技術(shù)。

生骨與天然骨的區(qū)別。（西北工業(yè)大學(xué)供圖）

3D打印人造骨或?qū)�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(fù)重建一直是全球臨床難題。傳統(tǒng)金屬、高分子材料人造骨存在仿生結(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(yùn)動(dòng)錯(cuò)位磨損等問題，術(shù)后并發(fā)癥多發(fā)。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)。

為了克服這項(xiàng)難題，世界各國(guó)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(guó)科學(xué)家首先提出，起初是利用3D打印技術(shù)制作人工組織工程支架。因3D打印具備個(gè)性化定制的顯著優(yōu)勢(shì)，引發(fā)了生物醫(yī)療界的追捧。經(jīng)過20余年的發(fā)展，該技術(shù)已初步在臨床應(yīng)用。

近年來，國(guó)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(shí)現(xiàn)陶瓷骨的完全降解，在植入后會(huì)給患者帶來劇烈疼痛等副作用。在國(guó)內(nèi)，目前此項(xiàng)研究（包括本文中的西北工業(yè)大學(xué)3D打印仿生骨技術(shù)在內(nèi)）基本仍停留在動(dòng)物試驗(yàn)階段，因此，3D打印陶瓷骨離臨床應(yīng)用還有一段距離。

2004年，還是西北工業(yè)大學(xué)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(shù)及裝備”的目標(biāo)。在此后的十幾年間，他克服重重困難在仿生骨3D打印這個(gè)方向上堅(jiān)持了下來。從基礎(chǔ)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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到硬件開發(fā)和控制系統(tǒng)；從動(dòng)物試驗(yàn)，到檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)，汪焰恩用15年，走出了一條生物3D打印從理論研究到應(yīng)用探索的新路徑。

讓人造骨“活”起來

汪焰恩團(tuán)隊(duì)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(xiàng)性能仍有較大差異，不能實(shí)現(xiàn)在動(dòng)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(gè)難題。國(guó)外就是采用了酸性粘結(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(jiǎn)單，但當(dāng)這個(gè)問題被限定在3D打印和人體上應(yīng)用，就變得異常復(fù)雜了。”

首先，粘結(jié)劑大多是黏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(shí)，這種粘合劑還要能被動(dòng)物乃至人體環(huán)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(gè)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(huì)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、黏合劑、細(xì)胞液、蛋白液（生長(zhǎng)因子）等按照不同個(gè)體的骨骼性質(zhì)，對(duì)打印材料進(jìn)行科學(xué)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(jié)構(gòu)

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)明的活性生物陶瓷仿生骨3D打印技術(shù)，解決了“怎么打”的問題。

首先，利用激光對(duì)被打印對(duì)象進(jìn)行片層掃描，還原對(duì)象的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)。在配比材料、鋪粉打印環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)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(tǒng)，還攻克了打印的關(guān)鍵機(jī)械技術(shù)，實(shí)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(dú)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(guó)際先進(jìn)水平。

動(dòng)物試驗(yàn)表明，仿生骨在植入動(dòng)物受體體內(nèi)后，能夠很好地發(fā)育，也就是通過受體的新陳代謝，使自體細(xì)胞在人造骨中生長(zhǎng)，并最終完全長(zhǎng)成自體骨。在西北工業(yè)大學(xué)與中國(guó)人民解放軍空軍軍醫(yī)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“空軍軍醫(yī)大學(xué)”）的聯(lián)合動(dòng)物試驗(yàn)中，尚未發(fā)現(xiàn)排異反應(yīng)的案例。

“從目前的試驗(yàn)來看，我們還不能明確指出仿生骨在受體體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生哪些副作用。這可能需要長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤研究，才能有所發(fā)現(xiàn)�！蓖粞娑髡f。

經(jīng)過檢測(cè)，該3D打印活性仿生骨與天然骨成分、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，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

汪焰恩教授透露，團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)掌握了仿生骨、軟骨和皮膚的3D打印技術(shù)。下一步，他們將繼續(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)。目前，在3D打印兔子皮膚的植入試驗(yàn)中，仿生皮膚比自體皮膚愈合時(shí)間短25%。

汪焰恩說，從動(dòng)物試驗(yàn)到臨床應(yīng)用，3D打印仿生骨和皮膚還有很長(zhǎng)的路要走�，F(xiàn)在，他們正在與空軍軍醫(yī)大學(xué)合作，共同探索3D打印活性仿生骨等應(yīng)用。未來，這項(xiàng)技術(shù)將能夠更好地治愈骨缺損、皮膚損傷等患者，為他們的生活注入新的希望。