生物制造技術及發(fā)展

連 芩，劉亞雄，賀健康，王 玲，靳忠民，李滌塵，盧秉恒

（1.西安交通大學機械工程學院，西安 710049；2.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049）

1 前言

隨著人類生命的延長和對生活健康品質的個性化需求，制造業(yè)正在從以滿足人類對交通和能源的需求向滿足人類對生命健康的需求拓展，人工關節(jié)、人工肝臟等的成功正是其中的典型代表[1]。但是不可否認，人工關節(jié)等產品仍然存在著不可解決的缺陷，人類期待著制造出人造組織甚至人造器官，用以替換受損組織或器官[2]。本文通過介紹西安交通大學機械工程學院及國家重點實驗室在快速成型技術的支持下，與醫(yī)學、材料和生物學等學科專家密切合作，研究定制化人工假體、活性人工骨和關節(jié)以及組織工程化肝臟的工作進展，探索其中的問題與發(fā)展前景。

2 定制化人工假體

人體骨骼是維持人類身體結構與運動的物質基礎，一旦發(fā)生大面積的缺失，例如由于腫瘤或車禍等造成的截肢或顏面部的缺陷等，如果沒有相應的骨骼替代物進行補充修復，會造成畸形甚至殘疾。由于骨與關節(jié)的外形結構復雜，特別是關節(jié)連接如同零部件的裝配，需要結合件的結構相配，以實現(xiàn)身體或面部外形及骨骼生理功能。盡管人工關節(jié)等產品已經(jīng)被廣泛應用于關節(jié)的功能重建，但仍不能滿足顱頜面修復、脊柱病變、青少年保肢手術等更為特殊的形體恢復和功能需求的骨重建要求。為此，筆者針對骨缺損的宏觀結構修復，利用西安交通大學光固化快速成型技術的優(yōu)勢，建立了以CT圖像為數(shù)據(jù)源的三維設計方法及基于快速成型（RP）技術的制造系統(tǒng)。提出了骨骼替代物的結構重建方法，即以三維反求技術和人體骨骼解剖生理學數(shù)據(jù)為基礎的個性化骨骼替代物的設計體系[3]。該設計體系以患者的CT圖片為數(shù)據(jù)源，采用“CT圖像/點云/曲面/實體模型”的設計流程，應用Mimics、Geomagic、UG、Ansys等商用軟件，提高骨替代物的設計精度和設計效率。利用快速原型結合快速模具技術和精密鈦鑄造技術實現(xiàn)鈦框架和鈦體的成型，實現(xiàn)了快速定制化制造，有效地解決了缺損骨的宏觀結構匹配與修復。

2.1 顏面部骨骼替代物

在顏面部骨骼替代物的設計中，除了顏面部容貌和形態(tài)的修復（見圖1），甚至可以通過下頜部義齒種植樁的預定設計，為病人咀嚼、言語等功能提供更大的功能修復[3～6]。為了完成骨骼替代物的外形和結構的適配性設計，應用人體骨骼的對稱性，或利用面部骨骼解剖生理學特性或數(shù)學性質對骨骼缺失或畸形的案例進行骨骼結構重建，將反求技術與醫(yī)生手工制作相結合應用于顱頜面畸形等缺少可用數(shù)據(jù)源的案例。

圖1 純鈦顏面部定制化植入假體Fig.1 Customized maxillary Ti-prosthesis fit together the maxillofacial resin component

由于鈦材料的剛性過大，植入骨骼缺失部位會使周圍的骨骼受力環(huán)境變差，即發(fā)生應力屏蔽現(xiàn)象，導致術后發(fā)生部分患者的骨骼被逐漸吸收，骨重建失敗。區(qū)別于材料學上通過改良材料的方法，筆者著重從工程結構的角度出發(fā)，從結構設計上來解決鈦假體與填充骨的匹配問題。為了降低鈦假體過大的剛性，使鈦下頜實現(xiàn)真正意義上的生物功能性修復，利用有限元分析技術和醫(yī)學上骨應力重建理論，分析正常骨骼的生物力學性能，尋找可改善骨生長環(huán)境的柔性結構骨骼替代物的設計方法。在傳統(tǒng)鈦下頜修復體的基礎上，對下頜骨替代物進行柔性結構設計。結構優(yōu)化分析獲得不同缺損類型修復體的最佳結構和尺寸。結果表明，柔性優(yōu)化結構可以更有效地傳遞應力，改善填充骨的應變分布，更利于填充骨的生長[7]。目前已經(jīng)提出精鑄和壓鑄兩種設計與制造個性化骨骼替代物的方法[8，9]。研究成果目前已被應用于臨床手術，已完成顏面部、下頜體等骨缺損、髁突缺失、小頦畸形、額鼻骨凹陷性畸形等80多例臨床案例，并獲得2011年教育部科技發(fā)明一等獎。

2.2 髖膝關節(jié)

隨著關節(jié)病患者的日益增多，人工關節(jié)的需求量也在不斷增加，延長人工關節(jié)的使用壽命是人工關節(jié)研究的目標和難題。在人工髖關節(jié)的研究中，將髖臼/股骨頭及股骨柄孤立研究，并在研究手段上以靜態(tài)分析為主，較少涉及動態(tài)分析和疲勞分析。筆者利用中國人髖關節(jié)生物力學特征，設計出符合大多數(shù)人體解剖結構和生理功能的股骨柄和髖臼假體，又建立起人工髖關節(jié)耦合系統(tǒng)模型，通過分析該系統(tǒng)在靜、動態(tài)條件下的生物力學效應，結合影像測量等實驗研究，研究人工髖關節(jié)的結構優(yōu)化設計方法[10]。

目前，全膝關節(jié)假體不能解決特殊患者的功能需要和青少年患者的骨生長需求。針對股骨遠端骨缺損的半膝關節(jié)置換術，提出了以“Mimics&Image Manager/Surfacer/UG”等商業(yè)反求與CAD軟件為工具構建定制化人工關節(jié)快速設計的方法。不僅提高制作精度，縮短制造周期，還能快速設計并完成手術過程的輔助定位裝置，實現(xiàn)人工關節(jié)植入的精確定位。鈦合金人工關節(jié)應用于青少年骨腫瘤患者的臨床案例中，顯示出人工關節(jié)植入患膝后位置準確，與對側脛骨關節(jié)面的配合良好；術后隨訪18個月，患者對膝關節(jié)功能恢復表示滿意[11]。而對于臨床上半關節(jié)磨損嚴重的情況，進一步提出了“雙滑動”半膝關節(jié)設計思想，即膝關節(jié)屈曲角度小于雙動角時，假體內部結構完成屈曲運動，假體關節(jié)面相對脛骨平臺靜止；屈曲角度超過雙動角時，關節(jié)面開始相對于脛骨平臺運動[12]。目前已經(jīng)完成的附麗型定制化雙動半膝關節(jié)已經(jīng)應用于臨床（見圖2）。通過增加髕骨滑道、大范圍定制化股骨髁部、自鎖式軸套系統(tǒng)和韌帶附麗孔道，不僅能夠實現(xiàn)雙動運動，還可增加結構匹配性和運動穩(wěn)定性。接觸力學分析研究發(fā)現(xiàn)定制化雙動半膝關節(jié)假體的接觸應力明顯小于半膝關節(jié)假體，表明雙動假體在減小關節(jié)面接觸應力和可能降低關節(jié)面磨損的優(yōu)勢。醫(yī)學影像評價發(fā)現(xiàn)，鈷鉻鉬合金定制化假體的離體運動模式接近天然膝關節(jié)的運動方式，并具有較大的屈曲角度，能很好地實現(xiàn)關節(jié)的功能[12，13]。

圖2 定制化雙動膝關節(jié)的鈦合金股骨假體Fig.2 Customized bipolar Ti-prosthesis for knee joint

2.3 人工椎體與脊柱側彎矯正

脊柱椎體或椎間盤的畸形或變異造成脊柱變形，甚至功能損失[14]。目前國內外常采用人工椎體置換來填充骨缺損、重建脊柱穩(wěn)定性。2000年，筆者根據(jù)脊柱生理結構和手術要求設計并完成了自固定式人工椎體。該椎體采用自攻螺紋的套筒連接加上橫向鎖釘固定，無需使用脊柱內固定器，就能保證脊柱即時穩(wěn)定性。并研制出相關輔助工具和手術操作步驟。但這種僅對上下椎體作用的人工椎體并不能解決多發(fā)病于青少年的脊柱側凸等情況。由于脊柱側凸手術需調整脊柱上幾乎所有椎體，甚至會因脊柱神經(jīng)的毀損而導致全身癱瘓，其矯形方案一直是醫(yī)工界學者研究的熱點。筆者提出了一種根據(jù)X光片修正模型而得到患者脊柱模型的快速建模方法，并在快速模型的基礎上構建生物力學模型和手術方案優(yōu)化方法（見圖3）。目前該方法構建的椎骨幾何和位置精度均足夠（偏差小于5%），且建模時間較之CT模型縮短了10倍，也大大減少了CT方案帶給病人的輻射和成本等的影響。矯形優(yōu)化方案的提出可為病人和醫(yī)生提供個性化的手術方案和治療效果的預測，降低手術風險，提高手術成功率[15]。

圖3 脊柱側凸快速建模與矯正方案Fig.3 A fast-reconstruction method for spine scoliosis surgical corretion

3 活性人工骨與關節(jié)

以金屬、陶瓷、聚乙烯為材料的人工關節(jié)假體被植入人體后，將出現(xiàn)不可克服的松動等問題，開發(fā)人造組織，即具有生物活性的人工骨與關節(jié)是人工關節(jié)的發(fā)展趨勢，也是制造技術與生物醫(yī)學的交叉研究方向。自然骨內存在的復雜微結構維持了骨的生長與重建。因此，認識自然骨的結構是研制人工生物活性骨的重要基礎[16]。支架不僅要與關節(jié)表面的宏觀外形結構相匹配，而且要具備有利于細胞或組織長入的內部微結構。針對組織工程關節(jié)構建過程中存在的問題，通過提取骨骼與關節(jié)宏、微結構特征，建立了骨微管結構模型及其孔隙流體動力學模型，對應于醫(yī)學上骨生長、骨重建的機理，推測骨顯微形態(tài)對骨生長的影響以及人工生物活性骨成骨性能[17]，指導人工骨微管結構設計，提出了雙管道微結構設計方法[18]。

用于制造活性人工骨的自動化制造裝備的研制是獲得活性骨與關節(jié)支架的關鍵環(huán)節(jié)。先進制造技術在醫(yī)學中的應用是生物制造領域的一個新的發(fā)展方向。RP技術以其成型復雜結構的優(yōu)勢在人工骨的制備中發(fā)揮了重要作用。然而在現(xiàn)有的基于RP技術的人工骨制作工藝中，要么存在著工藝本身如高溫條件對材料的影響，要么存在不能較好地復合生物活性因子等問題。在與化學與材料專家的合作中，筆者將快速成型技術與陶瓷制造工藝結合，已經(jīng)成功開發(fā)出基于熔融沉積原理的人工骨支架專用設備氣壓式熔融沉積（AJS）快速成型系統(tǒng)。所制備的活性人工骨在節(jié)段性犬骨缺損修復實驗結果證明,其內部微結構為人工骨的快速活化和新生骨細胞的三維并行生長提供了理想的空間條件，并以骨引導和骨誘導雙重機制加速新骨生長[19]。此外，筆者還提出了人工骨仿生支架的負型制造法[20]，發(fā)展了水凝膠關節(jié)軟骨支架的快速光固化成型方法[21]，借助于筆者所開發(fā)的生物反應器系統(tǒng)，研究和驗證了支架微管系統(tǒng)內部細胞濃度分布數(shù)值模擬結果，并探索體外組織再建的工程化方法[22]。目前制備出宏微觀一體化成型的生物陶瓷支架[23]。體外實驗發(fā)現(xiàn)，兔骨髓干細胞在骨支架與軟骨支架內可良好的黏附、增殖，細胞形態(tài)逐步成熟，證明以快速成形技術為基礎的骨支架以及軟骨支架的制造工藝具有良好的生物安全性。犬膝關節(jié)骨軟骨缺損修復6個月后發(fā)現(xiàn)（見圖4），關節(jié)支架上新生軟骨與之結合緊密，形成類似于自然骨軟骨的連接結構，新生軟骨的彈性模量與透明軟骨的彈性模量相匹配，初步實現(xiàn)了工程化軟骨的功能化。

圖4 活性軟骨（a，b）、骨（b）和關節(jié)（c）支架樣本及其關節(jié)修復6個月效果（d）Fig.4 Cartilage（a,b），bone（b）and osteochondral（c）bioactive scaffold samples as well as repaired caninal femur in six months（d）

隨著研究的深入，筆者發(fā)現(xiàn)活性骨與關節(jié)的研制難點在于多孔結構與強度的矛盾。為此，利用各種生物材料降解速度不同的特征，提出多種材料構建復合梯度材料的活性支架，使得活性骨與關節(jié)在短期內獲得良好的力學支撐能力和生物學性能。實驗結果顯示，材料鋪放方式對骨重建過程具有重要意義，復合材料在生物力學和骨生長上具有積極作用[24]。隨著活性人工骨性能的穩(wěn)定，結合定制化關節(jié)假體技術，筆者設計并完成了金屬/陶瓷復合結構人工關節(jié)（見圖5），目前已經(jīng)被應用于臨床治療青少年保肢手術[25]。

圖5 金屬/陶瓷復合結構人工關節(jié)Fig.5 Artificial knee joint incorporated with Tialloy and bioactive ceramic

4 組織工程化人工肝臟

肝移植是肝病重癥患者的重要治愈手段，但卻一直受到肝臟供體嚴重匱乏的制約，甚至引發(fā)偷取他人肝臟等惡性案件。組織工程化人工肝臟通過人為地將肝細胞培養(yǎng)出具有一定器官功能的組織，從而替代肝臟供體植入體內，維持肝臟功能。該技術也為以透析為主的人工肝技術發(fā)展提供新的手段。

對比活性骨與關節(jié)的構建，肝臟復雜的血管結構與肝細胞的生物學特征決定了組織工程化人工肝臟要求更高的體外細胞培養(yǎng)技術和復雜微結構支架的設計制造技術。筆者提出約束優(yōu)化構建血管樹，構建既具有微孔又具有血管管道的肝支架仿生結構[26]，即用分形法描述和簡化小鼠肝的血管結構，在二維平面上構建簡化的血管樹與管路，采用疊層與卷裹這兩種三維組裝工藝將具有復雜管路結構的二維支架組裝成了具有三維空間結構的支架（見圖6）。

由于傳統(tǒng)支架制造工藝難以制備具有復雜管路系統(tǒng)結構的肝支架，提出了采用快速成型技術、微壓印法和冷凍干燥法等方法，制備多種復合天然高分子材料的三維可控管道系統(tǒng)結構支架，其中包含隨機微孔（直徑40 μm）和微管道（直徑200 μm～1 mm）雙尺度結構。有限元滲流分析技術對其毛細血管的滲透功能的模擬評估發(fā)現(xiàn)，仿生結構同時具有較高的物質交換效率和對細胞較小的剪切作用[26]。體外實驗發(fā)現(xiàn)該結構能夠有效提高三維肝支架的流體導通性能，可實現(xiàn)培養(yǎng)液在支架內部的均勻分布和代謝產物的迅速排出。目前已完成的卷裹型肝組織工程支架可實現(xiàn)肝細胞的三維有序分布，生物學評價發(fā)現(xiàn)細胞在支架內部呈三維分布，掃描電鏡、死活染色結果表明細胞在支架上存活、團聚生長并分泌細胞外基質（見圖7）；細胞增殖檢測結果表明細胞在仿生支架上增殖更快且衰亡速度減緩[27]。

5 結語

圖6 卷裹型肝支架制作流程示意圖Fig.6 A schematic diagram of manufacturing liver scaffold with tube shape

圖7 復合細胞的雙尺度卷裹肝組織工程化支架Fig.7 Construction of 3D tissue-engineered constructed by rolling scaffolds uniformly seeded with cells

自20世紀30年代發(fā)展起來的人工關節(jié)，特別是膝、髖、肩關節(jié)，是目前最有效的關節(jié)功能恢復的治療手段，也是人體內植入物最為成功的產品。在其成功的基礎上進一步發(fā)展起來定制化的人工內植入物已經(jīng)在顱頜面缺損修復等方面取得了臨床應用的成功[6，12，25]，但是它們本身固有的機械結構與活體生長的不匹配性所造成的松動等問題會加速不可逆轉的骨骼損失。因此，人工關節(jié)置換手術仍然是治療晚期關節(jié)嚴重病變的終極治療手段，人工關節(jié)難以滿足人體長期的使用要求。為了延緩人體關節(jié)的服役壽命，推遲人工關節(jié)置換術，20世紀80年代末期開始的組織工程和再生醫(yī)學，提出以人工的方式培養(yǎng)出的再生組織修復人體受損器官，并在皮膚、小塊骨組織或軟骨組織缺損修復上取得了成功[2，19]，但是大段或大面積負重的骨或關節(jié)、肝腎等組織修復仍是醫(yī)學上的難題[18，20，21，27]。其難點集中于修復環(huán)境的復雜性、構建人工組織穩(wěn)定性的控制等方面，急需機械工程方面的專家提供相關的自動化制造與體外培養(yǎng)系統(tǒng)及功能評價的設備。

西安交通大學機械工程學院與國家重點實驗室在發(fā)展多種快速成型與快速模具技術的同時，自20世紀90年代開展以工程方法解決醫(yī)學問題的生物制造技術研究，在20多年與醫(yī)學等專業(yè)人員的密切合作中，逐漸形成了定制化人工假體、活性人工骨和關節(jié)以及組織工程化肝臟等研究方向，特別是定制化與個性化的人工假體的臨床應用，為患者與醫(yī)生提供了新的治療手段。本文重點總結了快速成型技術在人工假體、活性人工骨和關節(jié)以及組織工程化肝臟等研究方向已經(jīng)取得的部分成果，事實上，筆者對人體軟、硬組織的研究工作不僅僅是關節(jié)和肝臟，甚至拓展到腸道磁吻合器[28]、深腦神經(jīng)核團的控制技術[29]。而人工關節(jié)的發(fā)展已經(jīng)拓展到生物摩擦等功能預測與活性關節(jié)的開發(fā)，更前沿的工作已經(jīng)延伸至關節(jié)軟骨、關節(jié)韌帶、組織工程化肝臟等內容，而在相關醫(yī)療器具與設備的開發(fā)中也期待更多的工程人員的參與。

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