西北工业大学黑科技：3D打印 竟能如此刻“骨”铭心！

大家都知道，西工大的金属3D打印技术处于领先地位。

但你一定想不到，竟有一位老师，带领学生团队，将3D打印技术运用于这个领域——3D打印活性仿生骨。

3D打印动物仿生骨

也许你会有疑问，在科技高速发展的今天，很复杂的金属都能3D打印，打印骨头有这么困难么？

其实，3D打印技术要实现真正在各个领域应用，仍需要不断完善，尤其是生物医疗领域，还存在许多技术难题亟需突破。而打印仿生骨，最大的难点就在于“活性”，如何做到与原生骨高度相似，如何能与生物体“完美兼容”，甚至替代原生骨的功能？这为这项技术提出了巨大的难点，也是科学家竭力探索的关键。

而我校这位老师在目前的动物试验中，所制作的3D打印活性仿生骨可以做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致，甚至可以“以假乱真”！动物活体试验显示，该技术制造的仿生骨可在生物体内“发育”，甚至使自体细胞在人造骨中生长，最终将人造骨与自然骨很好地生长在一起，较好融入动物体内环境。这项技术的主要参数指标目前已经处于先进水平！

令人振奋的是，这项技术正在被不断深化，其打印的范围，不仅限于仿生骨，还能打印其它组织……（谜底将在文末揭晓）

这位研制出3D打印仿生骨的老师，就是西北工业大学机电学院的汪焰恩教授。十几年来，从理论、技术，再到应用，他凭着自己的坚持和坚韧，探索了一条生物医疗3D打印的新路径。

生物3D打印实验室

生物3D打印实验室

技术前景：未来，3D打印人造骨也许将为骨缺损治疗带来新希望

骨缺损是骨科临床最常见的疾病之一。我国每分钟就有7人因交通事故导致严重伤残，每年约有1000多万骨缺损患者。骨缺损修复重建一直是国际临床难题。

传统金属、高分子材料存在仿生结构不可控、力学性能不匹配、生物相容性差、无发育功能、运动错位、磨损等术后并发症。尤其是没有生物学活性的假体，无法在人体内发育，不能与自然骨良好地融合，需要二次手术修复。

为了克服这项难题，科学家进行了不懈努力。随着3D打印技术的出现，以生物陶瓷为材料的3D打印骨，成为公认最为理想的骨填充材料。

生物医疗3D打印起步于上世纪90年代，由美国科学家首先提出，起初是利用3D打印技术制作人工组织工程支架。因3D打印具备个性化定制的显著优势，引发了生物医疗界的追捧。经过20余年的发展，该技术已初步在临床应用。

近年来，国外研究机构研发了3D打印生物陶瓷骨植入医疗器械。然而，该技术因采用酸性粘结剂和功能梯度，仍未实现陶瓷骨的完全降解，在植入后会给患者带来剧烈疼痛等副作用。

在国内，目前此项研究（包括本文中的西工大3D打印仿生骨技术在内）基本仍停留在动物实验阶段，因此，3D打印陶瓷骨离临床应用，还有一段距离。

希望通过自己的努力治愈母亲腿伤

2004年，还是西工大一名博士研究生的汪焰恩，就为自己立下了“研制人造骨3D打印技术及装备”的flag。

对于这一想法的源起，汪焰恩坦言：“我母亲的腿有残疾，当时我只是单纯希望能通过自己的努力治愈妈妈。”每当看着行动不变的母亲，他总是特别心疼。

“刚开始的想法很简单，以为只要把程序编出来，把控制系统做好，就能打印出人造骨。”汪焰恩沉默了一下，接着说：“如果那时的我知道这件事这么困难，需要做十几年，估计早就放弃了吧。”

然而，尽管在十几年间经历了重重困难，他还是在仿生骨3D打印这个方向上坚持了下来。

从基础理论的探索，到粘合剂的选择和打印材料的配比，再到仿生骨生物活性的研究；从打印机的结构设计，到硬件开发和控制系统；从动物实验，到检测设备的研发。汪焰恩用15年的时间，从一个生物3D打印的门外汉到今天的专家，走出了一条从理论研究到应用探索的新路径。

让人造骨“活”起来

汪焰恩团队研制的3D打印仿生骨，最核心的技术就在于“仿生”。

仿生骨与天然骨的结构对比图

由于传统陶瓷骨与自然骨的各项性能仍有较大差异，不能实现在动物体内的良好发育。

为解决这一问题，汪焰恩首先从打印材料入手。羟基磷灰石是目前世界通用的仿人骨材料，然而，如何将粉末状的羟基磷灰石粘合起来，一直是个难题。国外就是因为采用了酸性粘结剂，而给被植入者带来术后痛苦。

汪焰恩说：“也许在搞化学的人看来，找到一种能够粘结羟基磷灰石的材料非常简单，但是，当这个问题一旦限定在3D打印和在人体上应用时，就变得异常复杂了。”

首先，粘结剂大多是粘稠和表面张力大的有机化合物，如何让其通过直径只有20μm（微米）近似于头发丝那么细的打印机喷嘴，成为最大的难题。同时，这种粘结剂还要能被动物乃至人体环境所接受。

为了找到这种合适的粘结剂，汪焰恩共试验了上百种不同的方案，用坏的喷嘴装满了好几个大箱子。终于，他找到了一种酸碱度类似于生物体环境，且性质良好不会堵塞喷嘴的粘合剂。

经过多年探索，汪焰恩和他的学生已经能将羟基磷灰石、粘合剂、细胞液、蛋白液（生长因子）等按照不同个体的骨骼性质，对打印材料进行科学配比，从而打印最适合被植入个体的人造仿生骨。

解决了“用什么打”后，最重要的问题就是“怎么打”。

自然骨不仅外观形态非常不规则，而且其内部结构也比较复杂，不同部位的密度不一。想要让人造骨在结构上模仿自然骨，是极具挑战的。

汪焰恩发明了活性生物陶瓷仿生骨3D打印技术，解决了“怎么打”的问题。

首先，利用激光对被打印对象进行片层扫描，还原对象的宏观和微观结构。

在配比材料、铺粉打印环节。传统3D打印的材料单一、密度一致、粉体单一、铺粉均匀，难以满足仿生骨的打印需求。汪焰恩不仅研制了一套打印控制系统，还攻克了打印的关键机械技术，实现了仿生打印的结构复杂、密度不均、复合粉体和非均一铺粉。

这套设备独创的常温压电超微雾化喷洒技术，突破了细胞液、蛋白液喷洒速度、喷洒量难以精细控制的技术瓶颈，处于国际先进水平。

同时，团队还建立了仿生骨与自然骨渗透率检测设备，实现了仿生骨发育能力简便、快速、客观的评估。

硬骨3D打印机

生物软体3D打印机

动物试验表明，仿生骨在植入动物受体体内后，能够很好地发育，也就是通过受体的新陈代谢，使自体细胞在人造骨中生长，并最终完全长成自体骨。

人造骨植入兔子体内6个月后，发育成密质骨

在西北工业大学与中国人民解放军空军军医大学（后建简称空军军医大学）的联合动物试验中，尚未发现排异反应的案例。

“从目前的试验来看，我们还不能明确指出仿生骨在受体体内会产生哪些副作用。这可能需要长时间的跟踪研究，才能有所发现。”汪焰恩的话语中充满了科学的严谨。

经过检测，该3D打印活性仿生骨与天然骨成份、结构、力学等性能达到高度一致。与其他类似3D打印技术相比，具有明显的技术优势。

汪焰恩教授透露，团队已经掌握了仿生骨、软骨和皮肤的3D打印技术。“下一步，我们将继续探索真皮层中汗腺、毛囊、皮脂腺等结构的稳定打印技术，做到与自然皮肤非常接近。”团队老师魏庆华说。

目前，在3D打印兔子皮肤的植入试验中，仿生皮肤比自体皮肤愈合时间短25%。

当然，从动物实验到临床应用，3D打印仿生骨和皮肤还有很长很长的路要走。现在，汪焰恩教授正在与空军军医大学进行合作，双方共同探索3D打印活性仿生骨等的应用。

未来，也许这项技术能够更好地治愈骨缺损、皮肤损伤等患者，为他们的生活注入新的希望。

稿件来源：西北工业大学