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3D打印+仿生，讓人造骨在生物體內(nèi)“活”起來

小知識(shí)科普皮膚缺損汪焰恩打印技術(shù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)西北工業(yè)大學(xué)顏值噴嘴發(fā)育


3D打印+仿生，讓人造骨在生物體內(nèi)“活”起來



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(dǎo)致嚴(yán)重傷殘 ， 每年約有1000多萬骨缺損患者 。 骨缺損修復(fù)重建一直是國際臨床難題 。 西北工業(yè)大學(xué)汪焰恩教授團(tuán)隊(duì)近日在英國《聚合物》（Polymer）雜志發(fā)表論文稱 ， 他們研制的3D打印活性仿生骨可在生物體內(nèi)“發(fā)育” ， 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 ， 已經(jīng)到了“以假亂真”的程度！科技日?qǐng)?bào)采訪人員近日深入西北工業(yè)大學(xué)一探究竟 。
最核心的技術(shù)在于“仿生”
“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(yùn)動(dòng)錯(cuò)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) 。 ”見到采訪人員 ， 汪焰恩教授開口就如此坦言 。
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黏合起來 ， 一直是個(gè)難題 。 國外就是因?yàn)椴捎昧怂嵝责そY(jié)劑 ， 而給被植入者帶來術(shù)后痛苦 。 黏結(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20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) ， 這種黏結(jié)劑還要能被動(dòng)物乃至人體環(huán)境所接受 。 為了找到這種合適的黏結(jié)劑 ， 汪焰恩共試驗(yàn)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)堵塞噴嘴的黏合劑 。
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個(gè)體的人造仿生骨 。
自體細(xì)胞在人造骨中生長
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 。
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) 。 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 ， 并最終完全長成自體骨 。
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(dòng)物試驗(yàn)中 ， 尚未發(fā)現(xiàn)排異反應(yīng)的案例 。
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 。
【3D打印+仿生，讓人造骨在生物體內(nèi)“活”起來】汪焰恩透露：“下一步 ， 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 。 ”目前 ， 他們在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% 。 未來 ， 也許這項(xiàng)技術(shù)能為骨缺損、皮膚損傷等患者帶來治愈希望 。 （史俊斌）

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