西北工业大学：3D打印活性仿生骨研究取得突破性进展

来源：中国青年报

近日，从西北工业大学机电学院汪焰恩教授团队的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分、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”，甚至使自体细胞在人造骨中生长，最终，人造骨与自然骨很好地生长在一起，较好融入动物体内环境。据了解，这项技术的主要参数指标已经处于先进水平，与此同时，该团队目前也掌握了3D打印仿生骨、软骨和皮肤的技术。

生骨与天然骨的区别。（西北工业大学供图）

3D打印人造骨或将为骨缺损治疗带来新希望

骨缺损是骨科临床常见疾病，每年约有1000多万骨缺损患者，骨缺损修复重建一直是全球临床难题。传统金属、高分子材料人造骨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、运动错位磨损等问题，术后并发症多发。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，世界各国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。

生物医疗3D打印起步于上世纪90年代，由美国科学家首先提出，起初是利用3D打印技术制作人工组织工程支架。因3D打印具备个性化定制的显著优势，引发了生物医疗界的追捧。经过20余年的发展，该技术已初步在临床应用。

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。在国内，目前此项研究（包括本文中的西北工业大学3D打印仿生骨技术在内）基本仍停留在动物试验阶段，因此，3D打印陶瓷骨离临床应用还有一段距离。

2004年，还是西北工业大学一名博士研究生的汪焰恩，痛心于自己母亲腿有残疾，为自己立下了“研制人造骨3D打印技术及装备”的目标。在此后的十几年间，他克服重重困难在仿生骨3D打印这个方向上坚持了下来。从基础理论的探索，到黏合剂的选择和打印材料的配比，再到仿生骨生物活性的研究；从打印机的结构设计，到硬件开发和控制系统；从动物试验，到检测设备的研发，汪焰恩用15年，走出了一条生物3D打印从理论研究到应用探索的新路径。

让人造骨“活”起来

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粘合起来，一直是个难题。国外就是采用了酸性粘结剂，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，但当这个问题被限定在3D打印和人体上应用，就变得异常复杂了。”

首先，粘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，这种粘合剂还要能被动物乃至人体环境接受。

为了找到这种合适的粘合剂，汪焰恩尝试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人体的人造仿生骨。

打出骨骼精密结构

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。汪焰恩发明的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。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，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。

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（以下简称“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。”汪焰恩说。

经过检测，该3D打印活性仿生骨与天然骨成分、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，具有明显的优势。

汪焰恩教授透露，团队目前已经掌握了仿生骨、软骨和皮肤的3D打印技术。下一步，他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。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%。

汪焰恩说，从动物试验到临床应用，3D打印仿生骨和皮肤还有很长的路要走。现在，他们正在与空军军医大学合作，共同探索3D打印活性仿生骨等应用。未来，这项技术将能够更好地治愈骨缺损、皮肤损伤等患者，为他们的生活注入新的希望。