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生物制造

发布时间:2015-08-31


  3D打印的生物医疗应用

1.1定制化人工假体制造技术

       1998年首倡“生物制造”研究,利用增材制造技术制造人工颌面假体和关节假体。揭示了个性化骨替代物与骨骼形状适配的力学作用和骨传导机制,发现了骨替代物弹性与骨生长存在的内在联系,提出了对个性化骨替代物内部结构进行仿生设计的思路和理论,促进了骨改建,为个性化骨替代物的设计提供了理论支持。发明了基于骨力学传导规律的原位骨替代物设计方法和快速制造技术,实现了数字化设计与制造在人体颌面个性化精确修复, 2001年实施了国际首例颌面骨的个性化修复,治愈了许多过去临床无法医治的患者,引领了颌面修复设计制造技术的发展。


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             图12个性化下颌骨骨替代物假体设计制造及临床应用

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             图13个性化半膝关节替代物假体设计制造及临床应用

1.2 /软骨关节组织制造

       中国有1.2亿以上的关节疾病患者,每年需进行人工关节置换手术约2百万例。研制了关节骨/软骨组织支架的制造技术和设备。分析了自然骨/软骨界面的微结构,设计和制造了从材料到结构双重仿生的软骨/骨梯度组织工程支架,并对其形态学、力学、成分以及生物性能进行深入的研究。利用增材制造技术制造了多孔分布的陶瓷支架,将I型胶原水凝胶和陶瓷支架进行复合,形成牢固的机械镶嵌连接。初步实现了工程化软骨的功能化。相关研究论文分别于2005,2007,2008年获得国际著名杂志出版商Emerald集团“高度推荐奖”。

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              (A) 复合支架组                      (B)动物缺损实验                       (C)6个月后软骨修复

                            图14 骨/软骨支架与动物实验

1.3 关节韧带组织制造

       针对软质韧带移植物与硬质骨“机械固定”存在应力集中与疲劳断裂等临床难题,提出了一种初期满足“机械固定”、远期随着骨支架诱导新骨再生以及韧带-骨界面重建实现“生物固定”的韧带-骨梯度支架的仿生设计与制造方法,开发了微纳纤维结构可控的静电纺丝与静电直写装备,验证了所制备的韧带-骨梯度支架对促进多组织界面再生从而走向“生物固定”的有效性,计划于2015年在瑞士苏黎世大学骨科医院进入临床试验。

           

            微纳纤维结构可控静电直写装置         韧带-骨梯度支架    韧带再生与生物固定

                                                           图15 韧带组织制造

1.4  3D打印/压印一体化细胞打印机

       细胞打印技术是构造具有生物活性的三维多细胞体系的先进技术,但国际上采用的细胞打印机仅能采用打印方法构建人工组织,由于打印过程中产生的压力、热源以及打印技术的低效率等因素不可避免地对细胞造成损伤,因而限制了细胞打印技术的应用。针对这些问题,研制了压印与打印技术相结合的一体化细胞打印机,可以实现大面积细胞、材料和结构的快速压印,对细胞几乎无损伤,提高了成形效率和细胞的成活率。

   

           (a) 逐层压印机         (b)压印/打印一体化细胞打印机

                                  图16细胞打印/压印机

 

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                                      图17 压印的人工生物组织微观结构与细胞可控打印

 

1.5  肝组织的宏微结构制造方法

   肝脏是是人体最大的“生化加工厂”,其复杂的功能使得材料与微结构制造成为难点。研制了三维打印和压印复杂生物组织支架方法与装备。发明了冰模制造肝组织支架的技术,保证了支架界面的微结构的可控制造,为多细胞肝组织体系构建提供基础。通过成纤维细胞与肝细胞的共培养,以及采用高浓度鼠尾胶原水凝胶两项措施,使人工肝组织在体内成活时间达到28天,人工肝组织厚度达到2mm以上,面积达到1.5cm×1.5cm,国外研究的人工肝组织厚度最大只有250微米,面积不到一公分。研究中发现体内的人工肝组织的肝细胞发生了有规律的组合,形成了肝细胞索,这是人工肝组织向自然肝组织转化的重要迹象,是形成胆管的前提,在国内外刊物中未见相关报道。

   

            (a)肝组织支架                             (b)形成的肝细胞索                         (c)三维细胞打印压印机

                                                    图18 人工肝组织构建与设备

1.6个体化骨折外固定器及其临床应用

      骨折复位和固定是骨科两大难题,至今没有得到很好的解决,我们与西安红会医院合作采用3D打印技术与计算机辅助复位技术,制造个体化定制骨外固定架,同时解决这两大难题,目前已完成基础研究和3例临床病例,取得了良好的临床效果。由于外固定为二类医疗器械,所以更容易实现产业化,服务于临床。其优势在于:无需组织切开,手术时间缩短80%、骨折愈合时间缩短33-45%,术后第3天即可下地行走,创伤极小甚至无创、复位效果明显优于传统方法,且手术不依靠医生经验,也避免X线透视照射。 

  

           图19 个体化骨折外固定器

1.7 基于宿主骨应力环境的3D打印定制化人工假体

由于人工假体和宿主骨之间很大的弹性模量差异,假体植入后会引起应力屏蔽现象,最终导致假体的松动和失效。要从根本上避免松动,应当从减小假体和周围骨之间的弹性模量差异的角度出发,降低假体弹性模量以减小应力屏蔽程度。我们研究了一种基于宿主骨应力环境的定制化假体优化设计理论,能够有效的减小假体植入后的应力屏蔽程度,降低松动的概率。该方法使用病人的CT数据及步态信息来构建基础模型,通过有限元分析计算假体内部应力分布对模型中的单元弹性模量进行循环优化,最终得到优化后可直接用于3D打印制造的假体STL模型。该理论目前已经应用在人工髋关节关节柄及椎间融合器等一系列假体的优化设计。

20 优化后人工髋关节关节柄模型


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