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企业报道

3D打印仿生骨 针尖上的舞步

来源:发布时间:2016-05-10 09:53

点云自主研发的打印设备

 

 

“骨骼因运动、驾驶等各种原因造成的损伤、缺失等问题,可通过点云科技的技术和材料进行修补和替换。”西安点云生物科技有限公司董事长曾庆丰介绍,他多年研发的成果——3D打印可降解替代仿生人工骨进入中试阶段,可为缺失、损伤骨骼患者实现定制化的骨骼修补解决方案。
  
  实现是对科技成果最好的保护

 

2004年,在西北工业大学博士毕业后,曾庆丰前往英国的斯特拉思克莱德大学继续学习。在这里,曾庆丰接触到增材制造的专业领域。增材制造,即3D打印的概念那个时代在中国还没有火。增材制造的无模制造、自由成型、快速成型等特点,深深地吸引了曾庆丰。他立刻意识到,增材制造和生物陶瓷复合材料的结合拥有极大的意义。
  也是在这个时候,他确认了自己下一步的研究方向——以生物陶瓷为材料的增材制造。“在英国时,我感受到发达国家对于人类自身的健康的关注大过于任何其他。而这个技术在医学界非常需要。”除了工业、农业之外,现代服务业和医疗行业也非常需要现代科学技术。
  2005年,曾庆丰回国,继续发展生命科学,以可降解材料为出发点的增材制造。要让材料成型,增材制造的机械装备必不可少。
  “3D打印机的研发涉及计算机、软件工程、机械制造、自动化控制等多个领域,同时还要结合生物陶瓷材料的特性开展研发。生物陶瓷材料的成分和人体组织相似,包含细胞、胶原等,不能在过高的温度中操作,因此在很长一段时期,生物材料的增材制造没有相应的设备。”曾庆丰说道。
  从零开始,这对曾庆丰而言,是挑战,也是乐趣。最终,点云成功开发了世界上最先进的生物陶瓷打印机。
  挑战还不止这一个。采用生物陶瓷材料进行3D打印,是一个全新的行业,点云的技术比起国外都要早5到10年。这就意味着该行业没有相应的标准。从材料到装备,再到打印的技术、行业的标准,一切都是空白,需要曾庆丰一点点的积累。
  2012年,项目有三个专利都获得了授权,多年的科研攻关逐步有了结果。曾庆丰希望将专利转变为产品,但在和资本及企业的接触中,他发现难度较大。“因为是全新的技术,企业认为有风险,难以接受如此前沿的技术。”
  虽然如此,曾庆丰并没有放弃。他毅然决定自我创业,将创新落实到创业的过程中去。“好的成果不能金屋藏娇、孤芳自赏,我做这项研究的目的就是改善国人的健康。而对科技成果最好的保护就是去实现它。”做企业的目的,就是为了真正解决当前社会存在的问题的应用产品。
  创业最初,曾庆丰将自己的一套房子作为办公室,和团队一起,夜以继日地进行成果的产业化。
  2014年,西安点云生物科技有限公司注册成立。2015年,点云搬入高新区创业园现代企业中心东区,进入国家级孵化平台。目前,3D打印可降解替代仿生人工骨项目已进入中试阶段。而新厂区建设了世界首条3D打印人工骨GMP生产线,目前设备正在到位,预计6月中旬就可投入使用。
  
  定制化让人更有“骨”气

 

据曾庆生介绍,人造仿生骨的替代,传统方式是使用大面积的金属假体或者塑料高分子假体。这些材料分为三类——永不降解、降解消失、降解的同时诱导骨骼生长替代。
  永不降解的材料对于病患而言,约束成长,无法跟随人体变化而适应变化;降解消失的材料则无法修复缺失损伤的部位;而第三类,也就是点云所采用的生物陶瓷材料填充的仿生骨,在降解的同时,还会诱导缺失部位骨骼生长修复。这样的材料适合所有年龄段的患者使用,无论是儿童或是老年人,或是骨质疏松人员,都可通过使用该类材料的仿生骨填充,并最终生成匹配自身应力环境的骨头。这样的方式让此类疾病得到一劳永逸的治愈。
  而掌握了材料还远远不够,由于每一个病患的缺失损伤的情形各不相同,因而填充部位的成型也是该项目的关键所在。这便是曾庆丰在研发3D打印可降解替代仿生人工骨项目时,面临的另一个核心挑战———打印技术。
  由于采用的是生物陶瓷复合材料,因此适用于金属的激光打印方法会在高温环境下破坏材料中的细胞。在研发早期,曾庆丰曾经采用铺粉技术,逐层叠加。但很快发现该技术有浪费材料、空隙不可控、材料不利于保存、精度不够高等劣势,其经济性、功能性均不能满足生物打印的需求。
  “此后我们进一步进行技术的改进,最终研发出无丝打印技术。”曾庆丰说道,公司独创的无丝打印技术(Filament-Free Print,FFP),不需要预制打印丝线,能够直接将陶瓷材料在常温下逐点逐层打印成型,这不但能显著降低现有的打印耗材成本,而且能够自由搭配材料组合,实现多种材料复合打印,极大地拓展现有打印材料的选择范围。
  在点云的展厅内,曾庆丰拿起一小瓶浸泡在水中的白色粉末向记者展示,该粉末颗粒非常细密,像雾一般萦绕在水中。这是经过点云处理的陶瓷纳米材料。正因为是纳米级别,才能在打印时达到非常准确的精度。“我们把打印的过程叫针尖上的跳舞。”曾庆丰给他所钟爱的事业起了一个艺术的名字。
  在针尖上起舞,需轻盈而精细。在纳米级生物陶瓷材料和无丝打印技术的双重作用下,打印出的产品材料成分配比、孔隙大小、几何外形都可以实现精确的控制,从而实现定制化的打印。“精确地符合每一位病患的需求,让人更有骨气。”曾庆丰说道。

 

汇点成云 人文与技术结合的经典

 

创业的过程面临诸多困难,但曾庆丰将这些都看作挑战。他不是一个人在战斗,而是有一个非常优秀的团队。其中多位都放弃了自己已经从事了十年以上的事业,或是企业负责人或是企业高管,汇入点云的创业团队,才成就今天的点云。
  “这也是点云这个名字的意义所在。一方面,我们是将材料的无数个点,聚合在一起,利用力学性能将其诱导成型,最终汇成实现诸多功能的云。另一方面,我们也将来自材料、软件、工程、数学等多领域的人才汇聚在一起,汇成智慧的云。”曾庆丰说,在他创业的过程中,缺少哪一个点,产品都出不来。
  “中国有1亿多肢残人士,我们的技术一旦普及应用,和现有解决方案的价格可达到一致,但对病患的治愈却是一劳永逸的。”曾庆丰说,这是一项惠民的技术,有着不可小觑的社会意义和价值。
  同样的理念和价值观,让无数个点汇聚在一起。曾庆丰表示,之所以放弃原来的事业,加入点云,因为大家都认为这个新兴事物非常具有挑战性,唯有在变化中发展,才能做别人做不了的事情,而这最能体现自己的价值。
  2015年,点云的智囊团——点云咨询公司成立,公司采取新的合作模式,聘请多个专家为企业发展中的融资、法务、商务等难题提供外部智力支持。在该智库的帮助下,点云完成了天使轮的融资。
  “这是一个跨学科跨领域的项目,涉及智能装备、增材制造、生物医药、创新性医疗器械、医疗服务等多个行业,必须要融入更多的智慧。”曾庆丰说道,他将汇点成云的理念应用在更多的地方,也用该理念不断创新企业的运作模式。
  也正是因为汇聚了多个优秀的人才之点,点云拥有着比初创型企业更高的起点,发展也十分规范。
  进入创业园后,点云的发展也得到了更多的关注和支持。“在这个平台,我们也是大海中的小小的一滴,高新区给了点云很大的支持,而我们也将持续在现有技术的基础上努力向前推进,汇聚更多的力量。”曾庆丰说,3D打印可降解替代仿生人工骨是一个全新的事物,目前点云仍在孤军奋战,“希望有更多企业参与生物制造,成立联盟,让这个行业汇点成云,让技术更快地应用于国民。”
  目前,点云一方面针对骨骼修复领域的科研单位推广其“墨水”及装备、打印服务,让该技术在真正的临床应用之前,通过大量的科研做深度的研究,以此推动该行业的发展。另一方面,点云也正在开展中试,在随后临床研究完成后拿到第三类医疗器械注册证。点云已经具备开展生产仿生人工骨的条件,同时,体外生物相似性、体内动物实验都已完成,装备技术国际领先……点云的步伐走得很快。
  “希望这个行业能够在中国生根、发芽,长成参天大树。”曾庆丰说,点云正在做自己的企业标准,而将企业标准最终上升为国家标准,是点云努力的目标之一。