基于3D打印技术的生物活性人工骨研究

  • 博士生组 票数:673
  • 姓       名:邵惠锋
  • 导       师:傅建中
  • 成果类别:论文著作类
  • 院系(学园):机械工程学院
团队介绍

        邵惠锋,2012年进入浙江大学机械工程学院,在傅建中教授和贺永教授指导下攻读博士学位,主要研究方向为生物制造。

        目前已发表SCI论文7篇,累积影响因子29.106,其中5篇为中科院1区期刊,4篇为浙大TOP期刊。申请发明专利19项,其中11项已授权。曾获浙江大学研究生竺可桢奖学金、博士研究生国家奖学金、最美浙江人——2016青春领袖提名、校优秀研究生干部、G20杰出志愿者、三好研究生等荣誉奖项。

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科研心得

自己本科所学的专业是机械制造及其自动化,来到浙里后,也是这个专业,但一旦碰到人问起,“你最近在做什么”,我说我在做动物实验,他们就会很好奇,我怎么在做这个,是不是换学院了,我说没有,究其原因,是因为博士阶段确立了一个研究方向,生物陶瓷活性骨缺损修复的人工骨研究。简单来说,就是当人体某部分骨头发生损伤的时候,我用3D打印机制造出一块人工骨去修复损伤区域,细胞会在这个材料上缓慢生长成为新生骨头,而材料随着时间慢慢降解,最后完全消失,所在区域被新生骨代替,实现骨缺损的修复。这是一个跨机械,材料和生物医学三大学科的交叉前沿研究领域。

        刚进入课题组的时候,我主要负责生物级3D打印机的研发,这是我熟悉的机械领域,后来被告知要学习材料,一开始还是有点担心,毕竟这不是自己的专业,后来一想,大家在高中学的内容都一样,都是从理科考上大学,既然他们能学会,我也能,于是开始了漫长的学习,那段时间,每天6点多起床,坐655的校车从玉泉赶往紫金港,晚上实验做完基本9点多了,于是坐1005分的校车回玉泉,一直持续了2年多,现在回想起来,那是最艰难,但也最充实的时候,每天都有新的东西要学,新的东西要做,每一次实验都是一个突破,从化学试剂的购买,根据摩尔量计算材料的重量,配置试剂,利用化学沉淀法合成材料,经过一步又一步的工艺得到我现在用的骨修复原始材料,接触了各种材料相关的检测方法和检测设备。科研不是一帆风顺的,同样的材料,别人能合成出来,自己却不行,于是反复检查制备环节,看哪里出现了问题;刚开始制造人工骨的时候,虽然有了原材料,但由于选的水凝胶溶液不对,导致无法通过3D打印设备制造出三维多孔结构,后来查找各种资料,尝试各种工艺,终于制造出了人工骨,接着做实验就很顺利了。有了这些经历,后面为了要验证制造的人工骨有很好的骨修复性能,开始细胞实验和动物实验的时候,就不再担心,因为我知道自己能行,只是时间的问题,如何在短时间内快速学会相关的知识,然后做出好的科研成果。

这一路走来,如果让我对科研做个比喻,我会把它当做一座大山,我作为一个登山者,从山底仰望星空,做梦都希望自己能够赶紧登上山顶看山下的风景,可是在登山过程中,遇到很多困难,每当以为自己即将登上山顶时,发现只是登上了一个小山坡,经过一段平路后继续登山,一次又一次以为自己要登顶了,可结果还是一样,只是在这个过程中,有时候的平路比较短,有时候却很长;有时候发现自己在往下走;有时候发现走了好久的路其实可以通过开辟一条小路马上就到达;有时候登山的坡度比较小,比较省力;有时候遇到暴雨,但依然前行;有时候走的是泥路,有时候是前人留下的水泥路,有时候又需要自己拿起锄头去开辟一条新路,但不管怎样,我都告诉自己要不断前行,到达山顶,欣赏山下的风景,虽然前面的每一个山坡都能看到山下的风景,但那只是一小部分,山顶的风景更加美丽。

很感谢过去的自己,让我能够来到浙里,在一个高平台上学习新的知识,接触新的事物,浙里有优秀的导师,浙里有很好的科研学习氛围,浙里有先进的仪器设备,浙里有前沿的科学研究课题,在浙里能够进行跨学科的交流与学习。

成果简介

    骨头再生很慢?让我来帮你!


在医学界,研发一种理想的骨修复材料来实现创伤、肿瘤切除或先天性疾病等引起大段骨缺损的治疗一直以来是一道难题。理想的骨缺损修复用的人工骨需要具备高孔隙率、高强度、高活性、可控降解等特性,通过这些特性可以实现新生骨的快速成长及血管化、与自然骨的强度匹配以及整个植入周期内支架强度与新生骨强度的互补,可以极大地提高骨修复的效果及修复速度。为实现理想的骨修复效果,本人首次提出并实现了活性人工骨的可控降解,研发了钙镁硅酸盐基墨水并系统地研究了打印墨水的配置及流变学调控,揭示了不同工艺下的烧结机理,最终利用3D打印技术制造了接近人体密质骨强度的人工骨。本人还系统地研究了不同孔隙率、不同磷酸三钙掺杂和烧结工艺下支架的生物力学性能演变规律,为充分利用人工骨的性能提供了有利的理论支持。通过体内实验,证实了所打印的人工骨在体内颅骨和股骨部位均具有很强的新生骨再生能力,这些发现为修复承重骨缺损及可编程骨支架降解速度指明了可行的方向。2016年,本人上述研究成果发表在国际著名期刊Journal of the European Ceramic Society(IF=2.933)、Journal of Materials Chemistry B(IF=4.872)和Scientific Reports(IF=5.228),均为浙大TOP期刊。此外,本人还获得了2016年浙江大学研究生竺可桢奖学金与“最美浙江人——2016青春领袖”提名等荣誉奖项。

实验流程图