3D打印可生长发育仿生骨 可与自然骨性能一致

硬骨3D打印机

3D打印仿生骨的宏观和微观结构与自然骨高度相似

西工大生物3D打印实验室

近日，西北工业大学汪焰恩教授团队的3D打印活性仿生骨技术取得突破性进展，团队研制的3D打印活性仿生骨可以做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致。动物活体试验显示，该技术制造的仿生骨可在生物体内“发育”，还能让自体细胞在人造骨中生长，最终将人造骨与自然骨很好地生长在一起，融入动物体内环境。目前，该团队已掌握3D打印仿生骨、软骨和皮肤的技术。

骨缺损是骨科临床最常见的疾病之一。据统计，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。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。

为了克服这项难题，科学家进行了不懈努力。随着3D打印技术的出现，以生物陶瓷为材料的3D打印骨，成为公认最为理想的骨填充材料。近年来，国外研究机构研发了3D打印生物陶瓷骨植入医疗器械。然而，该技术因采用酸性粘结剂和功能梯度，仍未实现陶瓷骨的完全降解，在植入后会给患者带来剧烈疼痛等副作用。

2004年，还是西工大一名博士研究生的汪焰恩，就为自己立下了“研制人造骨3D打印技术及装备”的目标。对于这一想法的源起，汪焰恩坦言：“我母亲的腿有残疾，当时我只是单纯希望能通过自己的努力治愈妈妈。”每当看着行动不变的母亲，他总是特别心疼。

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粘合起来，一直是个难题。国外就是因为采用了酸性粘结剂，而给被植入者带来术后痛苦。

汪焰恩说：“也许在搞化学的人看来，找到一种能够粘结羟基磷灰石的材料非常简单，但是，当这个问题一旦限定在3D打印和在人体上应用时，就变得异常复杂了。”

首先，粘结剂大多是粘稠和表面张力大的有机化合物，如何让其通过直径只有20μm（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，这种粘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粘结剂，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粘合剂。

经过多年探索，汪焰恩和他的团队已经能将羟基磷灰石、粘合剂、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。首先，利用激光对被打印对象进行片层扫描，还原对象的宏观和微观结构。再配比材料、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，实现了仿生打印的结构复杂、密度不均、复合粉体和非均一铺粉。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。

同时，团队还建立了仿生骨与自然骨渗透率检测设备，实现了仿生骨发育能力简便、快速、客观的评估。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（后建简称空军军医大学）的联合动物试验中，尚未发现排异反应的案例。

“从目前的试验来看，我们还不能明确指出仿生骨在受体体内会产生哪些副作用。这可能需要长时间的跟踪研究，才能有所发现。”汪焰恩的话语中充满了科学的严谨。

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。

据悉，其团队已经掌握了仿生骨、软骨和皮肤的3D打印技术。“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。”团队成员魏庆华说。目前，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%。

受访专家：西北工业大学机电学院工业工程系教授汪焰恩