骨動未來——讓人工骨活起來

摘 要：隨著中國逐漸步入老齡化社會，骨、關節(jié)損壞成為了一個社會性問題。據(jù)估算，我國每年需要進行骨修復手術超1 000萬例。目前，3D打印技術日趨成熟，超過5 mm的大段人工骨支架和載有細胞的類骨組織有了可行的制造方式。慧眾生物團隊針對骨、關節(jié)問題，創(chuàng)新了可發(fā)育生物陶瓷骨支架的3D打印技術，并依靠新技術開發(fā)了系列產(chǎn)品。

關鍵詞：仿生骨知識庫；生物陶瓷粉體；固結液霧化噴灑模型

1 項目簡介

發(fā)明了新型生物陶瓷常溫固結液，創(chuàng)建了仿生骨知識庫。研制出用于微-宏拓撲結構、力學-功能梯度骨支架制造的仿生骨知識庫，可根據(jù)病患結構和力學特征精準匹配材料組分；基于生物陶瓷本體與固結液互浸固化機理，發(fā)明了可微滴噴灑、常溫固結生物陶瓷粉體的固結液，經(jīng)3 300余例臨床診斷模型驗證，效果良好。

攻克了生物陶瓷粉體的一次性強韌固結難題，建立了固結液霧化噴灑模型和固結液與生物陶瓷粉體互浸強韌固化模型。發(fā)明了生物陶瓷粉體精準有序固化工藝，解決了陶瓷骨強韌兼顧、力學仿生難題，實現(xiàn)了6 cm以上大段陶瓷骨支架“整體增材制造、局部剪切塑形”。固結液的霧化、噴灑模型如圖1所示。

發(fā)明了生物墨水、固結液常溫壓電協(xié)同精準噴灑技術。突破生物墨水、固結液噴灑速度、噴灑量難以精細控制的技術瓶頸，發(fā)明了生物墨水定向精準噴灑關鍵技術及裝備。開發(fā)了含活性蛋白懸浮液精準噴灑關鍵技術，攻克了生物墨水定點定量打印工藝難題，實現(xiàn)了生物墨水0.025 mm精準噴灑。

開發(fā)了骨骼損傷教學模型。依靠項目研制的3D打印裝備可獲得復雜的骨骼解剖結構，如髖臼、骨盆、頜面等，能夠將骨折形態(tài)及病變部位清晰、準確地復制并呈現(xiàn)，經(jīng)相關工藝處理后可提高模型的強度，且能為不同解剖位置設置顏色進行區(qū)分，方便教學。醫(yī)學生可以從任意角度觀察其解剖結構和病理特征，讓醫(yī)學生在學習過程中能夠清晰直觀地理解手術操作要點，之后在手術實際操作中印證和強化。

開發(fā)了全骨仿生術前彩排模型。利用高精度3D打印和噴灑工藝執(zhí)行仿生制造指令，實現(xiàn)了病例模型的個性化定制，得到了具有松質(zhì)骨和密質(zhì)骨結構的人工骨骼。為術前手術設計等重要手術環(huán)節(jié)提供物理操作模型，可明顯改善手術效果，降低對臨床經(jīng)驗的依賴，縮短30%～50%的手術時間，降低了術中和術后并發(fā)癥的發(fā)生概率，能夠有效促進患者恢復。全骨仿生術前彩排模型如圖2所示。

發(fā)明了可發(fā)育骨支架三維打印裝備。基于可發(fā)育生物陶瓷骨支架實驗原理，實現(xiàn)了如下功能：

（1）對三維平臺的開發(fā)及其精準控制；

（2）對基體材料的精準鋪放控制；

（3）通過生物墨水供給系統(tǒng)研發(fā)，實現(xiàn)了生物陶瓷粉末材料的常溫固化，實現(xiàn)了結構/功能一體化可發(fā)育生物陶瓷骨支架的常溫制造，且制造精度經(jīng)第三方檢測為0.025 mm。

可發(fā)育骨支架三維打印裝備如圖3所示。