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西安交大生物3D打印团队 以“微结构”搭建人类健康“软桥梁”

来源:西安日报 2020-03-24 09:44

相较于人体骨骼“硬组织”,具有生物功能的“软组织”在临床方面需求巨大,但目前国内外在该领域的研究及应用尚处于起步阶段。西安交通大学机械学院贺健康教授所在的生物3D打印团队,日前以“生物可降解支架微结构仿生设计制造基础”项目,获得2019年度全国高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学一等奖。

该团队通过生物可降解支架微结构的仿生设计与3D打印制造,使支架植入体内后能够引导组织再生并逐渐降解为二氧化碳和水被人体代谢,实现了机械结构向自体组织的转化。此外,通过梯度结构将人体软硬组织有机固定,达到修复软组织功能的目的,推动医疗领域的发展。

聚焦前沿

开辟软组织研究新天地

贺健康是一名“土生土长”的交大人。从1999年到2010年,他本、硕、博的学习都在西安交大机械学院完成,师从中国工程院院士、西安交大教授卢秉恒和西安交大机械学院教授、机械制造系统工程国家重点实验室主任李涤尘。在两位老师的带领下,经过多年潜心探索,团队的生物3D打印研究在国内已颇有名气。2014年,该团队基于3D打印的个性化骨替代物的研究成果,获得国家技术发明二等奖。

贺健康关于肝脏可降解支架制造的博士课题,是伴随着团队由骨组织个性化制造向可降解软组织支架研究的转型而产生的。“团队的个性化骨替代物研究,在2001年已经到了临床阶段;2005年李涤尘老师提议我们向可降解软组织支架制造方向转型,而国内外当时在该领域的研究尚属于起步阶段。”回忆起求学之路时,贺健康说。

团队在当时没有太多文献经验借鉴的情况下“摸着石头过河”,反复“试错”,扎实推进,一步步走向学术前沿、引领生物制造技术发展,开辟了西安交大关于可降解软组织支架研究的新天地,以“微结构”设计,进行力学和组织再生匹配研究,搭建人类健康的“软桥梁”。

医工交叉

从理论研究到治病救人

从2005年至2016年,贺健康所在团队在可降解软组织支架方面的研究,一直处于学术理论阶段;而相关技术走向临床的转折点出现在2016年,当时贺健康跟随李涤尘和唐都医院进行了一次案例交流。

“当时,有位患者气管狭窄7厘米,医学上一般将气管狭窄在6厘米以上的视为不治之症。”在了解患者的情况后,团队试着做大段的可降解支架结构来支撑 软化气管,唐都医院用该团队通过3D打印制造的可降解气管外支架为患者做了手术。20天后,患者奇迹般的从重症监护室走出,这更加坚定了团队从事可降解软组织支架研究的信心。随后,他们团队在气管支撑方面的技术在西京医院、南京儿童医院、郑大一附院等医疗机构均有所应用,截至目前相关应用已有十几例。

2016年8月,该团队进一步和第四军医大学甲乳外科合作,探索采用可降解软组织支架解决年轻女性乳腺癌患者在肿瘤切除后的乳房填充修复问题。因之前传统的医学手段是用硅胶填充,而硅胶往往存在老化及渗漏等问题,他们团队通过可降解支架微结构仿生制造技术,使得制备的支架的力学性能与乳腺组织匹配,可以在人体内引导自体组织生长并最终无缝愈合。医院反馈,患者在手术9个月后复查效果很好,而这样的手术在当时属于全球首例。截至目前,相关应有已有十几例。

然而,成功并不是一蹴而就的,该团队在研究过程中遇到过很多困难。“人体的生物功能复杂,仅凭机械知识无法进行软组织的深入研究。李涤尘老师经常教导我们要注重跨学科交流合作,通过不同领域的思想碰撞、知识互补,实现研究创新;通过医工交叉,以工程手段解决临床问题,实现1+1>2的效应。”贺健康说。

传承接力

向科学更深处进军

从2005年接触软组织的可降解研究,到如今获得教育部自然科学一等奖,贺健康的身份实现了由学生到团队骨干力量的转换,但不变的是他对科研的投入。“卢老师和李老师经常教导我们要通过科学研究解决临床问题,他们身上的优秀品质时刻激励着我踏实做事、老实做人。”现在,贺健康正努力将这份科研精神传承给自己的学生,教导他们在繁华世界里坚守平静的科研事业。

“兴趣、勤奋、认真”,是对待科研最重要的态度,他也以此标准要求自己的学生。“我经常教导学生要养成良好的科研规范习惯,敬畏学术红线。同时要学会过程思考,总结科研的成功经验和失败教训,面向医学需求,服务社会与患者,带动医学领域的发展。”

对于团队获得2019年度全国高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学一等奖,贺健康认为这只是一个起点,这代表着从个性化假体制造向可降解可再生方向发展的趋势,代表着生物制造研究由硬组织向软组织的转变。“我们团队下一步将朝着人体重要器官如心脏、神经等可降解制造的方向发展,通过精细的结构制造,将导电、传感等功能加入支架中,更好地服务人类健康。”贺健康信心满怀。

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