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西北工业大学:3D打印活性仿生骨研究取得突破性进展

www.usadailysource.com2019-08-10
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14: 43: 14中国青年报

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仿生骨与天然骨之间的区别。 (图片由西北工业大学提供)

中国青年报中国青年网记者从西北工业大学获悉,近日,该团队的3D打印活动仿生骨技术在该校机电工程研究所取得了突破性进展。团队开发的3D打印活性仿生骨可以做到天然骨骼的成分,结构和力学性能高度一致。

动物体内试验表明,该技术产生的仿生骨可在生物体内“发育”,甚至自体细胞也在人造骨中生长。最后,人造骨与天然骨骼一起生长良好,并且更好地融入动物的内部环境中。据了解,该技术的主要参数已处于先进水平。与此同时,该团队还掌握了3D打印仿生骨,软骨和皮肤的技术。

人工骨的3D打印将为骨缺损治疗带来新的希望

骨缺损是整形外科中常见的临床疾病。每年患者的骨缺损超过1000万。骨缺损的修复和重建已成为全球临床问题。

传统的金属和聚合物人造骨骼存在诸如不可控制的仿生结构,不匹配的机械性能,差的生物相容性,无发育功能和位错磨损等问题。术后并发症很常见。特别是,没有生物活性的假体不能在人体内发育,并且不能与天然骨骼很好地融合,需要进行二次手术。

为了克服这个问题,来自世界各地的科学家们做出了不懈的努力。随着3D打印技术的出现,生物陶瓷材料制成的3D打印骨骼已成为最理想的骨填充材料。

生物医学3D打印始于20世纪90年代,最初由美国科学家提出,最初使用3D打印技术制作人造组织工程支架。由于3D打印的显着优势和个性化定制,它已经引起了生物医学行业的关注。经过20多年的发展,该技术已初步应用于临床。

近年来,国外研究机构开发了3D打印生物陶瓷骨植入医疗器械。然而,该技术由于使用酸性粘合剂和功能梯度而未实现陶瓷骨的完全降解,并且引起严重的副作用,例如植入后的剧烈疼痛。在国内,目前的研究(包括西北工业大学的3D打印仿生骨技术)仍处于动物试验阶段。因此,3D打印陶瓷骨骼距离临床应用还有很长的路要走。

生物3D打印从理论研究到应用探索的新途径。

让人造骨头“活着”

王亚恩团队开发的3D打印仿生骨核心技术是“仿生”。

由于传统陶瓷骨与天然骨的表现仍有很大差异,因此无法在动物身上取得良好的发展。

为了解决这个问题,王亚恩首先开始使用印刷材料。羟基磷灰石是目前世界上最受欢迎的人体骨骼材料。然而,如何粘合粉末状羟基磷灰石一直是个问题。国外使用酸性粘合剂,这会给植入术带来术后疼痛。

王亚恩说:“也许在从事化学工作的人眼中,找到一种可以粘合羟基磷灰石的材料非常简单,但当这个问题仅限于3D打印和人体应用时,它变得非常复杂。”

首先,粘合剂主要是具有粘稠度和大表面张力的有机化合物。如何将其通过直径仅为20μm(微米)的打印机喷嘴,这与头发线的类似,成为最大的问题。同时,粘合剂可被动物和人体接受。

为了找到这种合适的粘合剂,王亚恩尝试了数百种不同的解决方案,用不好的喷嘴填充几个大盒子。最后,他发现了一种pH值与生物环境相似的粘合剂,以及不会堵塞喷嘴的良好性能。

经过多年的探索,王亚恩和他的学生们已经能够根据不同个体的骨骼特性科学地将印刷材料与羟基磷灰石,粘合剂,细胞液,蛋白质液(生长因子)等相匹配。适用于植入人体的人造仿生骨。

挖掘骨骼的精确结构

天然骨骼不仅外观非常不规则,而且内部结构复杂,不同部位的密度也不同。人造骨骼模仿结构中的天然骨骼是极具挑战性的。

王亚恩发明的活性生物陶瓷仿生骨3D打印技术解决了“如何打架”的问题。

首先,使用激光扫描印刷物体以恢复物体的宏观和微观结构。

在比例材料和印刷和印刷过程中,传统的3D印刷材料具有相同的材料,均匀的密度,单一的粉末和均匀的粉末分布,难以满足仿生骨的印刷要求。王亚恩不仅开发了一套印刷控制系统,而且克服了印刷的关键机械技术,实现了复杂的结构,不均匀的密度,复合粉末和仿生印刷的不均匀粉化。

该设备原有的室温压电超微雾化喷涂技术突破了细胞液,蛋白液喷涂速度和喷涂量的技术瓶颈,处于国际先进水平。

动物实验表明,仿生骨在植入动物受体后可以很好地发育,也就是说,通过受体的代谢,自体细胞在人造骨中生长并最终生长成自体骨。在西北工业大学与人民解放军空军军事医科大学(以下简称“空军军医大学”)的联合动物实验中,未发现任何拒绝案件。

“从目前的试验中,我们无法清楚地指出仿生骨在受体体内的副作用。这可能需要很长时间才能在发现之前跟踪研究。”王亚恩说。

经过测试,3D打印活性仿生骨与天然骨组成,结构和力学高度一致。与其他类似的3D打印技术相比,它具有明显的优势。

王亚恩教授透露,该团队已经掌握了仿生骨,软骨和皮肤的3D打印技术。接下来,他们将继续探索稳定的印刷技术,如真皮中的汗腺,毛囊和皮脂腺等结构。目前,在3D打印兔皮肤植入试验中,仿生皮肤比自体皮肤愈合时间短25%。

王亚恩说,从动物试验到临床应用,3D打印仿生骨和皮肤还有很长的路要走。现在,他们正在与空军军事医科大学合作,探索3D打印活动仿生骨等应用。在未来,这项技术将能够更好地治愈患有骨缺损,皮肤损伤等的患者,并为他们的生活注入新的希望。

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仿生骨与天然骨之间的区别。 (图片由西北工业大学提供)

中国青年报中国青年网记者从西北工业大学获悉,近日,该团队的3D打印活动仿生骨技术在该校机电工程研究所取得了突破性进展。团队开发的3D打印活性仿生骨可以做到天然骨骼的成分,结构和力学性能高度一致。

动物体内试验表明,该技术产生的仿生骨可在生物体内“发育”,甚至自体细胞也在人造骨中生长。最后,人造骨与天然骨骼一起生长良好,并且更好地融入动物的内部环境中。据了解,该技术的主要参数已处于先进水平。与此同时,该团队还掌握了3D打印仿生骨,软骨和皮肤的技术。

人工骨的3D打印将为骨缺损治疗带来新的希望

骨缺损是整形外科中常见的临床疾病。每年患者的骨缺损超过1000万。骨缺损的修复和重建已成为全球临床问题。

传统的金属和聚合物人造骨骼存在诸如不可控制的仿生结构,不匹配的机械性能,差的生物相容性,无发育功能和位错磨损等问题。术后并发症很常见。特别是,没有生物活性的假体不能在人体内发育,并且不能与天然骨骼很好地融合,需要进行二次手术。

为了克服这个问题,来自世界各地的科学家们做出了不懈的努力。随着3D打印技术的出现,生物陶瓷材料制成的3D打印骨骼已成为最理想的骨填充材料。

生物医学3D打印始于20世纪90年代,最初由美国科学家提出,最初使用3D打印技术制作人造组织工程支架。由于3D打印的显着优势和个性化定制,它已经引起了生物医学行业的关注。经过20多年的发展,该技术已初步应用于临床。

近年来,国外研究机构开发了3D打印生物陶瓷骨植入医疗器械。然而,该技术由于使用酸性粘合剂和功能梯度而未实现陶瓷骨的完全降解,并且引起严重的副作用,例如植入后的剧烈疼痛。在国内,目前的研究(包括西北工业大学的3D打印仿生骨技术)仍处于动物试验阶段。因此,3D打印陶瓷骨骼距离临床应用还有很长的路要走。

生物3D打印从理论研究到应用探索的新途径。

让人造骨头“活着”

王亚恩团队开发的3D打印仿生骨核心技术是“仿生”。

由于传统陶瓷骨与天然骨的表现仍有很大差异,因此无法在动物身上取得良好的发展。

为了解决这个问题,王亚恩首先开始使用印刷材料。羟基磷灰石是目前世界上最受欢迎的人体骨骼材料。然而,如何粘合粉末状羟基磷灰石一直是个问题。国外使用酸性粘合剂,这会给植入术带来术后疼痛。

王亚恩说:“也许在从事化学工作的人眼中,找到一种可以粘合羟基磷灰石的材料非常简单,但当这个问题仅限于3D打印和人体应用时,它变得非常复杂。”

首先,粘合剂主要是具有粘稠度和大表面张力的有机化合物。如何将其通过直径仅为20μm(微米)的打印机喷嘴,这与头发线的类似,成为最大的问题。同时,粘合剂可被动物和人体接受。

为了找到这种合适的粘合剂,王亚恩尝试了数百种不同的解决方案,用不好的喷嘴填充几个大盒子。最后,他发现了一种pH值与生物环境相似的粘合剂,以及不会堵塞喷嘴的良好性能。

经过多年的探索,王亚恩和他的学生们已经能够根据不同个体的骨骼特性科学地将印刷材料与羟基磷灰石,粘合剂,细胞液,蛋白质液(生长因子)等相匹配。适用于植入人体的人造仿生骨。

挖掘骨骼的精确结构

天然骨骼不仅外观非常不规则,而且内部结构复杂,不同部位的密度也不同。人造骨骼模仿结构中的天然骨骼是极具挑战性的。

王亚恩发明的活性生物陶瓷仿生骨3D打印技术解决了“如何打架”的问题。

首先,使用激光扫描印刷物体以恢复物体的宏观和微观结构。

在比例材料和印刷和印刷过程中,传统的3D印刷材料具有相同的材料,均匀的密度,单一的粉末和均匀的粉末分布,难以满足仿生骨的印刷要求。王亚恩不仅开发了一套印刷控制系统,而且克服了印刷的关键机械技术,实现了复杂的结构,不均匀的密度,复合粉末和仿生印刷的不均匀粉化。

该设备原有的室温压电超微雾化喷涂技术突破了细胞液,蛋白液喷涂速度和喷涂量的技术瓶颈,处于国际先进水平。

动物实验表明,仿生骨在植入动物受体后可以很好地发育,也就是说,通过受体的代谢,自体细胞在人造骨中生长并最终生长成自体骨。在西北工业大学与人民解放军空军军事医科大学(以下简称“空军军医大学”)的联合动物实验中,未发现任何拒绝案件。

“从目前的试验中,我们无法清楚地指出仿生骨在受体体内的副作用。这可能需要很长时间才能在发现之前跟踪研究。”王亚恩说。

经过测试,3D打印活性仿生骨与天然骨组成,结构和力学高度一致。与其他类似的3D打印技术相比,它具有明显的优势。

王亚恩教授透露,该团队已经掌握了仿生骨,软骨和皮肤的3D打印技术。接下来,他们将继续探索稳定的印刷技术,如真皮中的汗腺,毛囊和皮脂腺等结构。目前,在3D打印兔皮肤植入试验中,仿生皮肤比自体皮肤愈合时间短25%。

王亚恩说,从动物试验到临床应用,3D打印仿生骨和皮肤还有很长的路要走。现在,他们正在与空军军事医科大学合作,探索3D打印活动仿生骨等应用。在未来,这项技术将能够更好地治愈患有骨缺损,皮肤损伤等的患者,并为他们的生活注入新的希望。

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