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3D打印仿生骨 最核心的技术就在于“仿生”

2019-06-05 14:43:33    来源:科技日报

骨缺损是骨科临床最常见的疾病之一。我国每分钟就有7人因交通事故导致严重伤残,每年约有1000多万骨缺损患者。骨缺损修复重建一直是国际临床难题。西北工业大学汪焰恩教授团队近日在英国《聚合物》(Polymer)杂志发表论文称,他们研制的3D打印活性仿生骨可在生物体内“发育”,做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致,已经到了“?#32422;?#20081;真”的程度!科技日报记者近日深入西北工业大学一探究竟。

最核心的技术在于“仿生”

“传统金属、高分子材料存在仿生结构不可控、力学性能不匹配、生物相容性差、无发育功能、运动错位、磨损等术后并发症。尤其是没有生物学活性的假体,无法在人体内发育,不能与自然骨良好地融合,需要二次手术修复。”见到记者,汪焰恩教授开口就如此坦言。

汪焰恩团队研制的3D打印仿生骨,最核心的技术就在于“仿生”。由于传?#31243;?#29943;骨与自然骨的各项性能仍有较大差异,不能实现在动物体内的良好发育。为解决这一问题,汪焰恩首先从打印材料入手。羟基磷灰石是目前世界通用的仿人骨材料,然而,如何将粉末状的羟基磷灰石黏合起来,一直是个难题。国外就是因为采用了酸性黏结剂,而给被植入者带来术后痛苦。黏结剂大多是黏稠和表面张力大的有机化合物,如何让其通过?#26412;?#21482;有20微米、近似于头发丝那么细的打印机喷嘴,成为最大的难题。同时,这种黏结剂还要能被动物乃至人体环境所接受。为了?#19994;?#36825;种合适的黏结剂,汪焰恩共试验了上百种不同的方案,?#27809;?#30340;喷嘴装满了好几个大箱?#21360;?#32456;于,他?#19994;?#20102;一种酸碱度类似于生物体环?#24120;?#19988;性质良好不会堵塞喷嘴的黏合剂。

经过多年探索,汪焰恩和他的学生已经能将羟基磷灰石、黏合剂、细胞液、蛋白液(生长因子)等按照不同个体的骨骼性质,对打印材料进行科学配比,从而打印最适合被植入个体的人造仿生骨。

自体细胞在人造骨中生长

自然骨不仅外观形态非常不规则,而且其内部结构也比较复杂,不同部位的密度不一。想要让人造骨在结构上模仿自然骨,是极具挑战的。汪焰恩发明了活性生物陶瓷仿生骨3D打印技术,解决了“怎么打”的问题。

在配比材料、铺粉打印环节,传统3D打印的材料单一、密度一致、粉体单一、铺粉均匀,难以满足仿生骨的打印需求。汪焰恩不仅研制了一套打印控制系?#24120;构?#20811;了打印的关键机械技术。这套设备独创的常温压电超微雾化喷洒技术,突破了细胞液、蛋白液喷洒速度、喷洒量难以精细控制的技术瓶颈,处于国际先进水平。

动物试验表明,仿生骨在植入动物受体体内后,能够很好地发育,也就是通过受体的新陈代谢,使自体细胞在人造骨中生长,并最终完全长成自体骨。

在西北工业大学与中国人民解放军空军军医大学的联合动物试验中,?#24418;?#21457;现排异?#20174;?#30340;案例。

经过检测,该3D打印活性仿生骨与天然骨成份、结构、力学等性能达到高度一致。与其他类似3D打印技术相比,具有明显的技术优势。

汪焰恩透露:“下一步,我们将继续探索真皮层中汗腺、毛囊、皮脂腺等结构的稳定打印技术,做到与自然皮肤非常接近。”目前,他们在3D打印兔子皮肤的植入试验中,仿生皮肤比自体皮肤愈合时间短25%。未来,?#27531;?#36825;项技术能为骨缺损、皮肤损伤等患者带来治愈希望。

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