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3D打印,让仿生骨应用不再遥远

来源:陕西日报 2020-05-19 14:58

5月7日,位于西咸新区沣东新城西安统筹科技资源改革示范基地的西安博恩生物科技有限公司(以下简称博恩生物),刚打印好的人体手部组织模型正在包装,准备送往医院用于临床。

2019年,博恩生物的“可发育生物陶瓷仿生骨精准制造关键技术及应用”项目获得教育部技术发明奖一等奖。

“它是按照人体真实的骨组织结构打印的,相似度达到95%。医生用来做临床演练,手感逼真,有助于提高手术的准确性、缩短手术时间。”博恩生物总经理张驰介绍,“术前人体彩排模型”是公司近年来在3D打印活性仿生骨技术领域的应用成果之一。

攻克仿生骨研制世界难题

博恩生物的技术研发者是西北工业大学汪焰恩教授。汪焰恩痛心于母亲腿有残疾,在国外留学期间便把研究方向锁定在“研制人造骨3D打印技术及装备”上,向骨缺损修复重建这项全球临床难题发起挑战。

“不同植入物放入人体内会怎么发育?”汪焰恩教授团队通过对多种材质的植入物进行详细研究后,筛选出最适合做人造骨的纯生物级的生物活性材料——羟基磷灰石(HA材料)。这是人体牙齿中含量最高的材料,在人体骨骼的无机盐成分中占比75%,具备天然的骨传导性和骨诱导性,可从贝壳等物品中提取。

然而,这种自然提取出来的原材料是粉末状,怎么把它们粘合起来?又怎么能制备成复杂的非规则曲面的人体骨骼?难题接踵而至。

“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。”汪焰恩说,这种黏合剂不仅要能通过近似于头发丝那么细的打印机喷嘴,还要能被人体环境接受。

为了找到合适的黏合剂,汪焰恩尝试了上百种不同的方案,用坏的喷嘴装了几大箱。终于,他找到了一种“生物墨水”,这种“生物墨水”能够完美地让羟基磷灰石固定成型。而国外一些大型医疗公司使用的 “胶水”聚乳酸,降解后会在骨周围形成微酸环境,对人体造成损伤。

2012年,汪焰恩团队研发出第一台生物活性3D打印机。这套设备独创的常温压电超微雾化喷洒技术,处于国际先进水平。

至此,汪焰恩教授团队实现了从原料、设备、制造工艺的全套创新,并拥有完全自主知识产权。经过检测,该3D打印活性仿生骨与自然骨成分、结构、力学等性能高度一致。

“这种仿生骨神奇之处在于,它是‘可生长可发育的生物陶瓷骨骼’。”汪焰恩说,传统人造骨大多以金属材料和高分子材料作为首选,但是这些材料植入患者体内,存在诸多天然缺陷。例如在体内无法和自体骨有机结合,导致局部骨质疏松,引起人造骨松动或附近的骨断裂。此外,金属离子从人造骨表面析出,进入人体内,会形成二次伤害。而以自然材料羟基磷灰石为原料制成的人造仿生骨植入患者体内后可促使人体自体骨发育,并随着时间推移逐步降解。

由这种生物材料制成的植入骨支架、植入骨填充颗粒等具有多孔结构均匀的优点,可用于骨修复、骨肿瘤、骨缺损等病例,造福广大患者。

产业化步入发展“快车道”

科技创新永无止境。汪焰恩说:“我们正在探索真皮层中汗腺、毛囊、皮脂腺等结构的稳定打印技术,做到与自然皮肤高度接近。”在3D打印兔子皮肤的植入试验中显示,仿生皮肤比自体皮肤愈合时间短25%。未来,这项技术或许能为皮肤损伤患者带来希望。

汪焰恩教授团队研制的人造仿生骨产品在创业大赛上一经亮相,便受到投资人的青睐。2015年,汪焰恩团队拿到400万元融资,注册成立了博恩生物公司。

“目前,骨科系列产品已经在老鼠、兔子、猪、狗等动物活体中做了5批相关试验。明年可以申请人体临床试验,最终申请到三类医疗器械认证。”张驰说。

除了“术前人体彩排模型”和仿生骨系列产品,博恩生物还以纳米羟基磷灰石为基础材料,开发出齿科隐形矫治器产品,目前已获得约2000万元的订单。从易到难、从眼前到长远,博恩生物的产业化蓝图已经绘就。

要进一步发展,最紧迫的问题就是用地需求。

“每台生物3D打印设备有2米长、1米宽,重达1.5吨,要实现大规模工业化生产,得有地方放设备。”张驰说。

2018年,博恩生物获得陕西省科技工作者创新创业者大赛机械类一等奖后,突出的技术实力和广阔的市场应用前景得到了沣东新城的陕西省创新驱动共同体专家学者的认可,并助力企业落户。随后,西安统筹科技资源改革示范基地迅速为企业解决了科技成果产业化前期场地不足和资金匮乏的需求,使项目步入产业化发展“快车道”。

沣东人工智能计算创新中心也吸引着博恩生物的研发团队。“这在未来可以为我们大量的骨科数据计算提供支撑。”张驰坐在宽敞明亮的新办公室里,畅想公司的发展前景。记者 侯燕妮

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