近日,西北工業(yè)大學(xué)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份、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能達(dá)到高度一致。動物活體試驗(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,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(xiàng)技術(shù)的主要參數(shù)指標(biāo)目前已經(jīng)處于先進(jìn)水平!目前,該團(tuán)隊(duì)已掌握3D打印仿生骨、軟骨和皮膚的技術(shù)。
3D打印人造骨或?qū)楣侨睋p治療帶來新希望
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。
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)。
為了克服這項(xiàng)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,起初是利用3D打印技術(shù)制作人工組織工程支架。因3D打印具備個性化定制的顯著優(yōu)勢,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,在植入后會給患者帶來劇烈疼痛等副作用。
在國內(nèi),目前此項(xiàng)研究基本仍停留在動物實(shí)驗(yàn)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”的目標(biāo)。
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。”每當(dāng)看著行動不便的母親,他總是特別心疼。
“剛開始的想法很簡單,以為只要把程序編出來,把控制系統(tǒng)做好,就能打印出人造骨。”汪焰恩沉默了一下,接著說:“如果那時的我知道這件事這么困難,需要做十幾年,估計(jì)早就放棄了吧。”
然而,盡管在十幾年間經(jīng)歷了重重困難,他還是在仿生骨3D打印這個方向上堅(jiān)持了下來。
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(jì),到硬件開發(fā)和控制系統(tǒng);從動物實(shí)驗(yàn),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(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?yàn)椴捎昧怂嵝哉辰Y(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。”
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(yàn)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。
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。
首先,利用激光對被打印對象進(jìn)行片層掃描,還原對象的宏觀和微觀結(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,處于國際先進(jìn)水平。
同時,團(tuán)隊(duì)還建立了仿生骨與自然骨滲透率檢測設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了仿生骨發(fā)育能力簡便、快速、客觀的評估。
動物試驗(yàn)表明,仿生骨在植入動物受體體內(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)(后建簡稱空軍軍醫(yī)大學(xué))的聯(lián)合動物試驗(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)。”汪焰恩的話語中充滿了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)。
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。
團(tuán)隊(duì)已掌握打印軟骨、皮膚技術(shù)
汪焰恩教授透露,團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了仿生骨、軟骨和皮膚的3D打印技術(shù)。“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。”團(tuán)隊(duì)老師魏慶華說。
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間短25%。
當(dāng)然,從動物實(shí)驗(yàn)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。現(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。
未來,也許這項(xiàng)技術(shù)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。
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