省政协委员贺健康 打造陕西高端制造战略领域“智造”名片

政协会议期间,我认真学习了省政府工作报告,这是一份政治站位高、与时俱进、为民务实、催人奋进的好报告,既通过大量数据与实例展现了过去5年工作的卓有成效,同时也对今后5年工作重点做了总体部署安排,在委员讨论时引起了大家强烈反响。我今年的政协提案的主题是“打造陕西高端制造战略领域‘智造’名片”,该提案在政协会议期间被确定联组发言主题。

增材制造个性化植入物技术发展与挑战

增材制造(3D打印)技术与未来医疗行业精准化和定制化的发展方向相契合,是我国高端医疗器械领域创新发展的重要机遇。目前3D打印医疗器械的研究和产业化主要分为不可降解植入物和可降解植入物,逐渐形成了金属3D打印骨植入物、聚醚醚酮骨植入物和可降解植入物等主要临床应用和产业发展领域。该文列举近年来上述领域的研究成果,论述个性化植入物的增材制造技术和应用,从技术、应用和监管角度分析不同植入物面临的挑战,并对未来发展提出展望和建议。

基于快速原型技术的定制化人工半膝关节复合系统的研究

目的传统方法制造的人工半膝关节存在个体匹配性、排异性及纯机械固定易松动等问题,为此设计基于快速原型(RP)的定制型人工半膝关节复合系统的制造方法。方法首先利用快速原型技术快速准确地制作出与人体半膝关节形状相匹配的人工植入体原型,然后分别运用钛合金离心铸造和生物材料烧结成型技术制作出人工金属半膝关节和胫骨近端活性人工骨。结果和结论利用快速原型技术制作出了人工半膝关节和胫骨近端活性人工骨。与传统植入体相比,该系统可实现人工半膝关节和对侧半膝关节面的匹配运动,而且功能孔和髓内钉的设计实现了植入体的生物固定和机械固定相结合,大段生物活性人工骨的复合促进了成骨生长,将排异反应减至最低。

定制化胫骨平台系统的构建及应用

为解决传统人工胫骨平台假体个体匹配性差,结构强度与生物活性难统一等问题,提出了定制化复合增强型人工胫骨平台系统的设计制造方法。采用解剖学建模技术设计出外形匹配,内含三维网状构架的复合假体模型,利用快速成型技术制造出假体的树脂原型,并分别通过精密铸造和粉末烧结技术制造出钛合金胫骨平台和大段多孔陶瓷人工骨。结果显示,该方法能快速而精确地制造出形状复杂的人工胫骨平台系统,是实现假体定制化制造的有利保证;通过将金属假体和多孔陶瓷人工骨复合,解决了载重部位大段骨缺损的修复问题。临床应用表明,该假体能与对侧关节匹配运动,通过将机械重建与生物重建相结合可实现受损关节的功能重建。

复合胫骨半关节结构优化设计与制造工艺

应用解剖学建模技术对钛合金/多孔生物陶瓷复合胫骨人工半关节假体进行了个体匹配性设计,通过有限元技术对所构建的复合型人工关节进行结构优化,然后利用快速成型技术制造最优模型的树脂模具,并分别通过离心铸造和粉末烧结技术来实现复合型胫骨人工半关节假体的定制化制造.研究结果显示,提出的结构优化设计方法在保证假体个体匹配性和机械强度的条件下,使钛合金型假体的体积减少了51.7%,使复合型假体能够保持最大的生物活性,而以快速成型技术为基础的定制化制造方法可实现假体的快速且精确制造.临床应用表明,通过该方法设计制造的复合型胫骨人工半关节假体可恢复受损关节的功能,因此具有广泛的医学应用前景.

肝组织工程支架的微制造工艺

通过模拟自然肝脏的内部微结构，对肝组织工程支架进行仿生设计，构建了有利于人工肝向自然肝转化的肝支架孔洞与管道系统．结合光固化和微压印工艺制造了肝支架的硅橡胶模具，通过微复型工艺成型出生物可降解的壳聚糖／明胶复合肝支架．实验表明，普通光固化和掩膜光固化工艺可以实现最小尺度为200μm的微结构制造，精密光固化工艺不仅可以在同一模具上制造出具有良好复型精度和边缘特征的肝细胞孔洞（200-300μm）和血管管道（100-200μm），而且还可以制造出具有半通透功能的微管道（13．1～30μm）．因此，提出的微制造方法能成型出复杂的肝组织工程支架系统，可保证多种肝脏细胞的有序分布，并且为组织工程肝脏支架材料微观结构的模拟提供了参考．

复合型人工半膝关节制造方法研究

结合反求技术、快速成形和快速模具技术,提出了一种新型钛合金/多孔陶瓷复合半膝关节系统的定制化制造方法。基于医学影像技术和反求技术进行半膝关节假体的个性化设计,通过快速成形技术制造人工关节的树脂原型,运用离心铸造和粉末烧结技术成形钛合金关节假体和多孔生物陶瓷活性人工骨。结果显示,半膝关节的重构误差小于0·25mm,能满足医学对假体精度的要求(0·5mm)。将钛合金/多孔陶瓷复合人工关节假体植入动物(狗)体内,与周围组织匹配良好,既具有足够的机械强度,又保证了假体的生物活性。因此,该复合型人工关节假体可用于修复体内大段骨缺损,通过机械重建和生物重建相结合,达到受损关节的功能重建,具有广泛的医学应用前景。

增材制造：实现宏微结构一体化制造

增材制造技术是基于分层制造原理发展而来的先进制造技术,是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的产物,是当今世界各制造强国竞相发展的热点技术。基于增材制造材料逐点累积的成形过程,提出宏微结构一体化制造的学术观点。该方法在金属、陶瓷与复合材料的成形制造中有着其他制造方法难以替代的优势,可以实现制造短流程化,并推动大批量制造模式向个性化制造模式发展。列举近年在金属零件定向晶组织制造、光子晶体制造、生物组织器官支架制造方面的研究成果,论述宏微结构一体化增材制造技术的实现方法与工程应用,解决了传统制造技术难以解决的宏微结构一体化制造难题,给制造技术展示出全新的发展前景,为相关学科和产业发展提供有力的制造技术支撑。

离子束溅射制备GdF_3光学薄膜沉积速率分布特性

本文采用离子束溅射方法制备GdF_3薄膜,并研究其沉积速率分布特征。首先,采用膜厚仪测量得出GdF_3薄膜在行星盘平面的二维沉积速率分布图,通过拟合模型得到二维沉积速率分布公式。其次,分析了束流束压及靶材角度对沉积速率分布特征的影响。最后,以二维沉积速率分布公式为基础,通过计算机编程设计均匀性挡板,并进行膜厚均匀性实验验证。结果表明,沉积速率在水平方向上满足ECS函数分布,在竖直方向上满足标准Gauss分布,拟合公式残差为2.05×10^(-6)。改变离子源的束流和束压,沉积速率分布特征保持不变。而随着靶材角度的增大,Gauss分布的半峰宽值ω逐渐增大,峰值位置x_c逐渐增大,在θ=292°时,GdF_3薄膜的沉积速率最大。通过挡板修调实验,可将270 mm口径平面元件的膜厚均匀性调整为97.9%。

生物制造技术及发展

自20世纪90年代西安交通大学机械工程学院提出生物制造的概念,提出以工程方法解决医学问题以来,在20多年与医学、材料和生物学等学科专家的密切合作中,已在骨与关节、肝脏、肠道、大脑等器官的人工内植入物研究上取得了进展。重点介绍和总结了定制化人工假体、活性人工骨和关节以及组织工程化肝脏等制造技术的研究工作与成果,探索其中的问题与发展前景。

面向组织工程化软组织的制造技术及增材制造

背景:近年来,组织工程支架的制造方法众多,特别是增材制造技术因其独特的累积成型原理,为复杂软组织支架的高精度制造提供了高效、可靠的制造技术,也推动了大缺损软组织修复研究。目的:总结近年来关于面向软组织支架的制造方法,对其进行简要的综述,并探讨其存在的问题与前景。方法:应用计算机检索PubMed数据库及中国知网数据库2010年1月至2013年9月关于软组织支架的制造方法的文章,英文检索词为"additive manufacturing,microfabrication,vascular tissue engineering,muscle tissue engineering,cartilage tissue engineering,stereolithography,3D printing,biodegradable hydrogel",中文检索词为"增材制造,微制造,血管组织工程,肌肉组织工程,软骨组织工程,光固化快速成型,三维打印技术,可降解水凝胶"。结果与结论:软组织大块缺损支架的制造,已由简单平面结构向复杂三维转变,并考虑到软组织内部血管的作用,在制造过程中将软组织支架材料与细胞、生长因子结合,达到解决支架内部血管化的问题。增材制造技术为复杂形状的软组织活性支架的高精度制造提供了新的方法。水凝胶/细胞的构建是软组织支架的关键,而与之相关的高精度增材制造技术原理和制造工艺,以及水凝胶、细胞与生长因子的组装方法则是突破这一关键的核心技术。

离子束溅射制备低应力深紫外光学薄膜

采用离子束溅射制备了Al F3、Gd F3单层膜及193 nm减反和高反膜系,分别使用分光光度计、原子力显微镜和应力仪研究了薄膜的光学特性、微观结构以及残余应力。在优选的沉积参数下制备出消光系数分别为1.1×10^(-4)和3.0×10^(-4)的低损耗AlF_3和GdF_3薄膜,对应的折射率分别为1.43和1.67,193 nm减反膜系的透过率为99.6%,剩余反射几乎为零,而高反膜系的反射率为99.2%,透过率为0.1%。应力测量结果表明,AlF_3薄膜表现为张应力而GdF_3薄膜具有压应力,与沉积条件相关的低生长应力是AlF_3和GdF_3薄膜残余应力较小的主要原因,采用这两种材料制备的减反及高反膜系应力均低于50 MPa。针对平面和曲率半径为240 mm的凸面元件,通过设计修正挡板,250 mm口径膜厚均匀性均优于97%。为亚纳米精度的平面元件镀制193 nm减反膜系,镀膜后RMS由0.177 nm变为0.219 nm。

壳聚糖纤维/磷酸钙骨水泥复合材料人工骨的力学性能

提出采用壳聚糖纤维为增强体来改善磷酸钙骨水泥的力学性能,并模仿天然骨的结构制造具有同心圆结构的壳聚糖纤维/骨水泥复合材料人工骨。利用快速成形技术制造精密树脂模具,在模具的支持下制备两种规格的人工骨((?)20 mm×20 mm和(?)10 mm×20 mm),分别进行人工骨初始强度试验和体内强度试验。试验表明,由于纤维的存在,复合材料人工骨的初始强度为11～26 MPa,明显高于磷酸钙骨水泥4～10 MPa的强度;同时在犬股骨髁缺损修复的过程中,随着壳聚糖纤维的消失而逐渐形成的多孔结构和孔隙并没有降低复合材料人工骨的力学性能,而是通过形成的多孔结构促进骨长入来维持人工骨的强度,使得人工骨多孔结构与强度的矛盾关系得到缓解。

5D打印——生物功能组织的制造

生物制造是制造技术与生命科学技术交叉融合产生的新兴学科方向,这一学科方向的发展将为巨大的人体组织与器官市场提供新技术,同时也给制造技术变革带来新机遇。面向生物制造未来发展,提出5D打印制造概念,论述了5D打印的内涵,分析了其关键技术。结合生物制造技术的现有进展,介绍了研究团队在心肌组织支架的制造、类脑神经组织制造、爬行生命机械混合机器人方面取得的初步研究进展,为生物制造技术拓展新方向提供新思路。

仿生多材料复合增强骨软骨支架的制造及性能研究

针对关节面上大面积骨软骨缺损修复过程中软骨形态恢复和力学环境恢复困难的问题，设计并制造一种新型聚乙二醇（Polyethylene glycol, PEG）/聚乳酸（Polylactide, PLA）/β-磷酸三钙（β-Tricalcium phosphate,β-TCP）仿生多材料复合增强骨软骨支架。基于CT扫描数据重建的羊膝关节模型上进行仿生多材料骨软骨支架的结构设计，包括多孔定制结构和固定桩及仿生结构；以光固化成形技术与真空灌注工艺相结合制造了的多材料复合增强骨软骨支架，确定灌注温度220℃，真空度–0.08～–0.10 Pa。形貌观测表明真空灌注法能使PLA完全充满整个次级管道，力学试验发现复合材料支架的压缩强度（21.25 MPa ±1.15 MPa）是单管道多孔生物陶瓷支架（9.76 MPa±0.64 MPa）的2.17倍， PLA固定桩的剪切强度（16.24 MPa±1.85 MPa）是陶瓷固定桩（0.87 MPa±0.14 MPa）的18.7倍。因此，复合PLA的骨软骨支架具有显著的力学增强和固定能力，有望为大面积骨软骨缺损的修复提供新的治疗手段。

酶交联明胶水凝胶性能研究及仿生微流道制备

针对当前水凝胶构建实质性功能器官存在制备血管网络困难的问题,采用了转谷氨酰胺酶(mTG酶)交联明胶构建明胶水凝胶圆形仿生微流道的方法。研究了明胶水凝胶的力学性能、成形性能及生物性能与明胶浓度的关系,提出了明胶水凝胶构建微流道结构的工艺条件,评价了微流道构建工艺的成型精度、力学性能和内皮化功能。结果表明:随着水凝胶浓度的提高,水凝胶的力学性能成线性增加,微结构的成型性能也逐步改善,但是浓度过高生物性能反而降低,明胶质量浓度为0.1g/mL的水凝胶综合性能相对较好,可用于构建圆形仿生微流道;采用的微流道成型工艺保持了原有水凝胶的力学性能,但是存在一定的成型误差,细胞在微流道内分布均匀,实现了微流道的内皮化。通过研究不同浓度的酶交联明胶水凝胶,制备的仿生微流道有望用于实质性功能器官的仿生再建。

定制化钛合金假体光固化快速铸造工艺精度研究

定制化钛合金假体能实现人体骨组织个性化修复与重建,在骨科和颌面外科中具有重要应用,但其修复和重建效果受制造工艺-特别是快速铸造工艺-精度的影响。由于定制化假体的快速铸造精度强烈地依赖于假体结构的复杂程度,为研究钛合金假体的快速铸造工艺精度,以形状较为复杂的定制化下颌骨假体为研究对象。对其制造过程的误差源进行分析。为便于测量,建立简化的下颌骨假体模型。根据下颌骨假体结构特征建立两种收缩模型,并分析理论收缩率。通过光固化快速成形、快速铸造试验和对铸件的反求建模,将其与原始设计模型进行对准和比较测量,研究工件在不同方向的收缩变化规律,对理论收缩率进行验证,建立精度补偿机制。通过下颌骨实际病例假体的制作和测量,验证精度补偿机制的有效性。研究结果对定制化假体的快速制造具有重要的参考意义,可广泛应用于在临床案例假体的制造。

复合人工骨半膝关节系统的仿生制造

采用狗股骨下段为实验对象,应用自主开发的图像格式软件处理CT数据,经矢量化后,重建人工关节面、股骨下段三维模型。同时在股骨模型内设计微结构,设计完成后生成STL文件并输入快速成型机加工,关节面树脂模型经精密铸造,获得钛合金假体。人工骨模具内灌装磷酸三钙后烧结,即得到带有微循环系统的人工骨,然后进行动物实验。采用CT扫描资料建立起来的三维模型,形态准确,在这种模型的基础上,研制的复合人工骨半膝关节与周围组织匹配良好,具有足够的机械强度。人工骨具有良好的内部结构,其微管大小220～250μm,微孔大小250～300μm,孔内连接大小50～100μm,保证了其生物活性。提示基于快速成型技术可以快捷地制造出复合大段人工骨的个体化半膝关节系统,其具有足够的机械强度和生物活性,可以进一步进行临床应用研究。

肝细胞体外培养平台的仿生设计与构建

构建一种能够更好地模拟肝细胞生长环境的体外培养平台。利用先进制造方法中的快速成型技术和微压印技术制作生物反应器和三维支架。将三维支架置于生物反应器中,与蠕动泵、氧和器、储液罐构建肝细胞的体外的动态培养系统。研究培养液流速、氧流量与氧含量的关系并进行参数优化,利用细胞支架复合体进行细胞培养。细胞培养结果显示该系统能够维持肝细胞的正常存活和生长。所设计并实现的动态灌注培养系统,通过调整流速和氧流量,可具有良好的氧合效果和较高的效率,能够更好的模拟肝细胞的体内生长环境。

一种新型肝组织工程支架的制备及生物相容性评价

目的:构建一种新型肝组织工程支架,并对其生物相容性进行评价,探讨其作为肝组织工程支架的可行性.方法:选用壳聚糖及明胶材料,通过微制造技术制备一种新型壳聚糖/明胶肝组织工程支架,并与大鼠原代肝细胞共培养,采用HE染色、扫描电镜、MTT法及肝细胞功能学指标等多种检测方法,对支架的细胞毒性及生物相容性进行评价.结果:成功制备了一种新型壳聚糖/明胶复合肝组织工程支架,其孔隙率高、表面积大,有利于肝细胞的黏附与生长,种植在新型壳聚糖/明胶肝组织工程支架上的肝细胞呈现良好的生长增殖趋势,保持良好的生理功能,新制备的支架呈缓慢匀速降解,保持良好的空间结构.结论:制备的壳聚糖/明胶肝组织工程支架具有良好的生物相容性及低细胞毒性,满足肝组织工程的要求.