可发育生物陶瓷仿生骨的三维精准打印关键技术及应用——西安博恩生物科技有限公司成果

2017-11-15

3D打印技术应用于生物医学工程是当前的热点研究领域。西安博恩生物科技有限公司联合西北工业大学生物增材制造团队开展了“可发育生物陶瓷仿生骨的三维精准打印关键技术及应用”项目。研究团队以通过3D打印技术制备人工活性骨支架为目标，开展了多方面研究：基于分形理论和知识库思想，仿照人体骨结构进行个性人工骨支架结构设计；针对快速原型仿生骨支架制备工艺，在磷酸钙基纳米粉末材料改性、生物粘结剂在磷酸钙基微球表面水化和迅速铰链固化机理等方面进行研究；研发用于人工骨成型制造的骨支架三维成型机及评价多孔支架渗透率指标的渗透率测量仪；开展了生长因子（VEGF）、靶向药物-明胶微球的制备及载药释放周期规律研究，评价其材料学特性，优化制备方案。

一、研究内容

研究团队结合生物3D打印技术，以基础研究和关键技术突破带动可发育生物陶瓷骨支架的三维精准打印工艺及装备。

（一）个体差异性的个性化设计

基于分形理论和知识库思想，利用分形维数、遗传算法定量描述人体骨的不规则性，通过建立骨骼知识库，丰富了骨骼微孔结构设计数据有效支撑人工骨支架结构建模，达到人工骨支架较好的模拟人体骨结构目的。该方法准确地设计和优化了骨支架的微观孔结构，克服了传统方法中微观孔结构不可控的缺陷，实现了个体差异性的个性化设计，确保全骨仿生三维精准组装模型数据的准确性。

（二）发育生物陶瓷仿生骨支架的快速三维精准打印工艺

以骨支架的制造工艺为研究对象，分别从微观、介观、宏观的多尺度层面探索了三维精准组装工艺对骨支架基本性能的影响，并建立了微观、介观到宏观的量化关系，为骨支架多尺度贯通的研究提供了理论基础；掌握了制备具有密质-松质结构仿生骨的方法，实现了骨支架力学性能可控的梯度制造工艺；从分子相互作用、多场耦合力学、离散-堆积、生物胶雾化喷淋等不同角度揭示了三维精准组装的基本原理及其方法，完成仿生骨支架的三维快速精准组装。

（三）用于骨支架成型制造的生物3D打印机和用于检测骨支架孔隙结构的孔隙率测量仪

两种设备可根据具体应用对象，实现个性化人工骨支架制备与性能检测。

（四）生长因子（VEGF）-明胶微球缓释系统

基于前期人工骨支架制备工艺的研究，团队针对骨支架植入人体后新骨生长问题构建了生长因子（VEGF）-明胶微球缓释系统，评估了不同程度生长因子刺激对新骨生长速率的影响。同时，针对当前骨肿瘤问题，提出结合3D打印骨支架和靶向药物微球控释相结合的解决方案。

二、创新成果

（一）全骨仿生术前诊断模型

通过3D打印技术，参照人骨力学层次还原全骨力学仿生梯度，利用自主研发软件及材料，生产出个性化定制术前诊断模型。通过外形、结构1:1精准还原，协助医生通过模拟演练，优化手术方案，提高手术的成功率，缩短手术时间，减少术后并发症。

（二）可降解填充颗粒

攻克了发育生物陶瓷仿生骨颗粒的快速三维精准打印工艺，利用自主研发软件及纳米级羟基磷灰石（HA）与有机生物胶水，生产出可降解填充颗粒，产品可吸收、可降解，生物相容性优良，是骨组织工程临床中常用的生物陶瓷材料。

（三）可植入骨支架

通过3D打印技术，利用自主研发软件及纳米级羟基磷灰石（HA）与有机生物胶水，生产出可植入骨支架，材料生物相容性好，无排异反应，安装简易，导向精准，可吸收、可降解，可避免二次手术。

（四）正畸弹性矫治器

运用3D影像技术设计整个疗程计划。患者只要按照设计程序，在不同时期戴上不同的透明矫正器（隐形牙套），便可使上颚或下颚的牙齿依照预定的设计移动，最终使牙齿变整齐，具有隐形透明、佩戴舒适、快速摘戴、方便清洁的特点。

三、推广应用前景

西安博恩生物科技有限公司联合西北工业大学生物增材制造团队开展的“可发育生物陶瓷仿生骨的三维精准打印关键技术及应用”项目，突破了部分重大理论与技术创新，攻克了生物制造领域的技术难题，取得了一批具有市场应用前景的重大创新成果，为生物材料、人造组织器官的临床应用提供了技术支撑，具有良好的经济和社会效益。

机构及作者简介

西安博恩生物科技有限公司是一家以生物3D打印技术为核心的创新型高科技企业，主要从事生物3D打印医疗服务，包括生物医用材料研究、开发、生产、销售及服务。现有骨科及齿科两大业务模块，下设有术前诊断模型、填充骨颗粒、植入骨支架及正畸弹性矫治器四条产品线。在技术创新方面，博恩生物自主研发了3D打印设备、生物胶水材料、3D打印喷头。目前博恩生物已经获得一类、二类医疗器械产品相关资质认证，其中3D打印术前诊断模型产品已完成一类医疗器械备案。博恩公司还积极参与陕西省3D生物打印产品行业标准的制定，推进3D打印行业更好地发展。