近日，西北工業(yè)大學(xué)汪焰恩教授團隊的3D打印活性仿生骨技術(shù)取得突破性進展，團隊研制的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。動物活體試驗顯示，該技術(shù)制造的仿生骨可在生物體內(nèi)“發(fā)育”，還能讓自體細(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，融入動物體內(nèi)環(huán)境。目前，該團隊已掌握3D打印仿生骨、軟骨和皮膚的技術(shù)。

     骨缺損是骨科臨床最常見的疾病之一。據(jù)統(tǒng)計，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)。

      為了克服這項難題，科學(xué)家進行了不懈努力。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。近年來，國外研究機構(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。

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?！泵慨?dāng)看著行動不便的母親，他總是特別心疼。

     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(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。國外就是因為采用了酸性粘結(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?！?/p>

    首先，粘結(jié)劑大多是粘稠和表面張力大的有機化合物，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，汪焰恩和他的團隊已經(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)，對打印材料進行科學(xué)配比，從而打印最適合被植入個體的人造仿生骨。

     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)鍵機械技術(shù)，實現(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，處于國際先進水平。

     同時，團隊還建立了仿生骨與自然骨滲透率檢測設(shè)備，實現(xiàn)了仿生骨發(fā)育能力簡便、快速、客觀的評估。動物試驗表明，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)合動物試驗中，尚未發(fā)現(xiàn)排異反應(yīng)的案例。

      “從目前的試驗來看，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。

      據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，其團隊已經(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。”團隊成員魏慶華說。目前，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%。