3D打印+仿生，讓人造骨在生物體內(nèi)“活”起來

史俊斌

骨缺損是骨科臨床最常見的疾病之一。我國(guó)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(guó)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(guó)《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”，做到與自然骨的成分、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！

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)?！蓖粞娑鹘淌诮忉屨f。

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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)

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(guó)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(zhǎng)，并最終完全長(zhǎng)成自體骨。

在西北工業(yè)大學(xué)與中國(guó)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(cè)，該3D打印活性仿生骨與天然骨成分、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(shì)。

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?！蹦壳?，他們?cè)?D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。