3D打印活性仿生骨技术取得突破可在生物体内自然生长

2019-06-04 15:58:18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“以假乱真”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”。由于传统陶瓷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，如何让其通过直径只有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。为了找到这种合适的黏结剂，汪焰恩共试验了上百种不同的方案，用坏的喷嘴装满了好几个大箱子。终于，他找到了一种酸碱度类似于生物体环境，且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统，还攻克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，尚未发现排异反应的案例。

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，也许这项技术能为骨缺损、皮肤损伤等患者带来治愈希望。(史俊斌)

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