西工大黑科技：3D列印竟能如此刻「骨」銘心！

大家都知道，西工大的金屬3D列印技術處於領先地位。

但你一定想不到，竟有一位老師，帶領學生團隊，將3D列印技術運用於這個領域——3D列印活性仿生骨。

3D列印動物仿生骨

也許你會有疑問，在科技高速發展的今天，很複雜的金屬都能3D列印，列印骨頭有這麼困難么？

其實，3D列印技術要實現真正在各個領域應用，仍需要不斷完善，尤其是生物醫療領域，還存在許多技術難題亟需突破。而列印仿生骨，最大的難點就在於「活性」，如何做到與原生骨高度相似，如何能與生物體「完美兼容」，甚至替代原生骨的功能？這為這項技術提出了巨大的難點，也是科學家竭力探索的關鍵。

而我校這位老師在目前的動物試驗中，所製作的3D列印活性仿生骨可以做到與自然骨的成份、結構、力學性能達到高度一致，甚至可以「以假亂真」！動物活體試驗顯示，該技術製造的仿生骨可在生物體內「發育」，甚至使自體細胞在人造骨中生長，最終將人造骨與自然骨很好地生長在一起，較好融入動物體內環境。這項技術的主要參數指標目前已經處於先進水平！

令人振奮的是，這項技術正在被不斷深化，其列印的範圍，不僅限於仿生骨，還能列印其它組織……（謎底將在文末揭曉）

這位研製出3D列印仿生骨的老師，就是西北工業大學機電學院的汪焰恩教授。十幾年來，從理論、技術，再到應用，他憑著自己的堅持和堅韌，探索了一條生物醫療3D列印的新路徑。

生物3D列印實驗室

技術前景：未來，3D列印人造骨也許將為骨缺損治療帶來新希望

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。

傳統金屬、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、無發育功能、運動錯位、磨損等術後併發症。尤其是沒有生物學活性的假體，無法在人體內發育，不能與自然骨良好地融合，需要二次手術修復。

為了克服這項難題，科學家進行了不懈努力。隨著3D列印技術的出現，以生物陶瓷為材料的3D列印骨，成為公認最為理想的骨填充材料。

生物醫療3D列印起步於上世紀90年代，由美國科學家首先提出，起初是利用3D列印技術製作人工組織工程支架。因3D列印具備個性化定製的顯著優勢，引發了生物醫療界的追捧。經過20餘年的發展，該技術已初步在臨床應用。

近年來，國外研究機構研發了3D列印生物陶瓷骨植入醫療器械。然而，該技術因採用酸性粘結劑和功能梯度，仍未實現陶瓷骨的完全降解，在植入後會給患者帶來劇烈疼痛等副作用。

在國內，目前此項研究（包括本文中的西工大3D列印仿生骨技術在內）基本仍停留在動物實驗階段，因此，3D列印陶瓷骨離臨床應用，還有一段距離。

希望通過自己的努力治癒母親腿傷

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「研製人造骨3D列印技術及裝備」的flag。

對於這一想法的源起，汪焰恩坦言：「我母親的腿有殘疾，當時我只是單純希望能通過自己的努力治癒媽媽。」每當看著行動不變的母親，他總是特別心疼。

「剛開始的想法很簡單，以為只要把程序編出來，把控制系統做好，就能列印出人造骨。」汪焰恩沉默了一下，接著說：「如果那時的我知道這件事這麼困難，需要做十幾年，估計早就放棄了吧。」

然而，儘管在十幾年間經歷了重重困難，他還是在仿生骨3D列印這個方向上堅持了下來。

從基礎理論的探索，到粘合劑的選擇和列印材料的配比，再到仿生骨生物活性的研究；從印表機的結構設計，到硬體開發和控制系統；從動物實驗，到檢測設備的研發。汪焰恩用15年的時間，從一個生物3D列印的門外漢到今天的專家，走出了一條從理論研究到應用探索的新路徑。

讓人造骨「活」起來

汪焰恩團隊研製的3D列印仿生骨，最核心的技術就在於「仿生」。

仿生骨與天然骨的結構對比圖

由於傳統陶瓷骨與自然骨的各項性能仍有較大差異，不能實現在動物體內的良好發育。

為解決這一問題，汪焰恩首先從列印材料入手。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。國外就是因為採用了酸性粘結劑，而給被植入者帶來術後痛苦。

汪焰恩說：「也許在搞化學的人看來，找到一種能夠粘結羥基磷灰石的材料非常簡單，但是，當這個問題一旦限定在3D列印和在人體上應用時，就變得異常複雜了。」

首先，粘結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）近似於頭髮絲那麼細的印表機噴嘴，成為最大的難題。同時，這種粘結劑還要能被動物乃至人體環境所接受。

為了找到這種合適的粘結劑，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。終於，他找到了一種酸鹼度類似於生物體環境，且性質良好不會堵塞噴嘴的粘合劑。

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

解決了「用什麼打」後，最重要的問題就是「怎麼打」。

自然骨不僅外觀形態非常不規則，而且其內部結構也比較複雜，不同部位的密度不一。想要讓人造骨在結構上模仿自然骨，是極具挑戰的。

汪焰恩發明了活性生物陶瓷仿生骨3D列印技術，解決了「怎麼打」的問題。

首先，利用激光對被列印對象進行片層掃描，還原對象的宏觀和微觀結構。

在配比材料、鋪粉列印環節。傳統3D列印的材料單一、密度一致、粉體單一、鋪粉均勻，難以滿足仿生骨的列印需求。汪焰恩不僅研製了一套列印控制系統，還攻克了列印的關鍵機械技術，實現了仿生列印的結構複雜、密度不均、複合粉體和非均一鋪粉。

這套設備獨創的常溫壓電超微霧化噴洒技術，突破了細胞液、蛋白液噴洒速度、噴洒量難以精細控制的技術瓶頸，處於國際先進水平。

同時，團隊還建立了仿生骨與自然骨滲透率檢測設備，實現了仿生骨發育能力簡便、快速、客觀的評估。

硬骨3D印表機

生物軟體3D印表機

動物試驗表明，仿生骨在植入動物受體體內後，能夠很好地發育，也就是通過受體的新陳代謝，使自體細胞在人造骨中生長，並最終完全長成自體骨。

人造骨植入兔子體內6個月後，發育成密質骨

在西北工業大學與中國人民解放軍空軍軍醫大學（後建簡稱空軍軍醫大學）的聯合動物試驗中，尚未發現排異反應的案例。

「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會產生哪些副作用。這可能需要長時間的跟蹤研究，才能有所發現。」汪焰恩的話語中充滿了科學的嚴謹。

經過檢測，該3D列印活性仿生骨與天然骨成份、結構、力學等性能達到高度一致。與其他類似3D列印技術相比，具有明顯的技術優勢。

彩 蛋

一隻兔子身上最大的器官是什麼？

對了，是皮膚！

汪焰恩教授透露，團隊已經掌握了仿生骨、軟骨和皮膚的3D列印技術。「下一步，我們將繼續探索真皮層中汗腺、毛囊、皮脂腺等結構的穩定列印技術，做到與自然皮膚非常接近。」團隊老師魏慶華說。

目前，在3D列印兔子皮膚的植入試驗中，仿生皮膚比自體皮膚癒合時間短25%。

當然，從動物實驗到臨床應用，3D列印仿生骨和皮膚還有很長很長的路要走。現在，汪焰恩教授正在與空軍軍醫大學進行合作，雙方共同探索3D列印活性仿生骨等的應用。

未來，也許這項技術能夠更好地治癒骨缺損、皮膚損傷等患者，為他們的生活注入新的希望。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！