3D打印+仿生，讓人造骨在生物體內“活”起來

史俊斌

骨缺損是骨科臨床最常見的疾病之一。我國每分鐘就有7人因交通事故導致嚴重傷殘，每年約有1000多萬骨缺損患者。骨缺損修復重建一直是國際臨床難題。西北工業(yè)大學汪焰恩教授團隊近日在英國《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“發(fā)育”，做到與自然骨的成分、結構、力學性能達到高度一致，已經到了“以假亂真”的程度！

最核心的技術在于“仿生”

“傳統(tǒng)金屬、高分子材料存在仿生結構不可控、力學性能不匹配、生物相容性差、無發(fā)育功能、運動錯位、磨損等術后并發(fā)癥。尤其是沒有生物學活性的假體，無法在人體內發(fā)育，不能與自然骨良好地融合，需要二次手術修復。”汪焰恩教授解釋說。

汪焰恩團隊研制的3D打印仿生骨，最核心的技術就在于“仿生”。由于傳統(tǒng)陶瓷骨與自然骨的各項性能仍有較大差異，不能實現(xiàn)在動物體內的良好發(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，一直是個難題。國外就是因為采用了酸性黏結劑，而給被植入者帶來術后痛苦。

黏結劑大多是黏稠和表面張力大的有機化合物，如何讓其通過直徑只有20微米、近似于頭發(fā)絲那么細的打印機噴嘴，成為最大的難題。同時，這種黏結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黏結劑，汪焰恩共試驗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，且性質良好不會堵塞噴嘴的黏合劑。

經過多年探索，汪焰恩和他的學生已經能將羥基磷灰石、黏合劑、細胞液、蛋白液（生長因子）等按照不同個體的骨骼性質，對打印材料進行科學配比，從而打印最適合被植入個體的人造仿生骨。

自體細胞在人造骨中生長

自然骨不僅外觀形態(tài)非常不規(guī)則，而且其內部結構也比較復雜，不同部位的密度不一。想要讓人造骨在結構上模仿自然骨，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，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)，還攻克了打印的關鍵機械技術。這套設備獨創(chuàng)的常溫壓電超微霧化噴灑技術，突破了細胞液、蛋白液噴灑速度、噴灑量難以精細控制的技術瓶頸，處于國際先進水平。

動物試驗表明，仿生骨在植入動物受體體內后，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)大學與中國人民解放軍空軍軍醫(yī)大學的聯(lián)合動物試驗中，尚未發(fā)現(xiàn)排異反應的案例。經過檢測，該3D打印活性仿生骨與天然骨成分、結構、力學等性能達到高度一致。與其他類似3D打印技術相比，具有明顯的技術優(yōu)勢。

汪焰恩透露：“下一步，我們將繼續(xù)探索真皮層中汗腺、毛囊、皮脂腺等結構的穩(wěn)定打印技術，做到與自然皮膚非常接近。”目前，他們在3D打印兔子皮膚的植入試驗中，仿生皮膚比自體皮膚愈合時間短25%。未來，也許這項技術能為骨缺損、皮膚損傷等患者帶來治愈希望。