供方主体：中国科学院上海硅酸盐研究所
地区：上海市 杨浦区
专利号：A2021061000012049
关键词：中国科学院上海硅酸盐研究所
技术领域：3D打印、生物活性、陶瓷
技术创新点：
| 以硅酸盐生物活性陶瓷为基体材料，在保证生物相容性的同时，具有主动促进成骨活性，而传统的磷酸钙生物陶瓷则仅具有较好的生物相容性，而缺乏足够的促进成骨性能 |
应用方向：3D打印技术，新材料，多孔人工骨
技术领域：生物与新医药、技术服务
技术成熟度：中试
技术描述：
| 医学研究表明，用作骨充填和修复的人工骨临床使用的关键在于：（1）材料组成能够主动促进植入部位的骨再生；（2）具有可精细调控的孔结构以利于组织液的渗透和骨细胞长入材料深部；然而，目前采用传统造孔技术（如聚合物海绵模板法、造孔法和发泡法等）制备的磷酸钙陶瓷人工骨无法很好满足以上要求。因此，从结构和组成两方面同时设计并制备具有精细可控孔道结构、能够主动促进成骨的多孔人工骨具有迫切的临床需求和良好的应用前景。基于以上背景，该项目在国家自然科学基金、863项目以及中科院重大专项等资金的支持下，基于对具有主动诱导成骨活性的硅酸盐生物活性陶瓷的丰厚研究基础，结合先进的3D打印技术，成功制备出一系列拥有自主知识产权、具有可控精细孔道结构、能够主动促进成骨的新型3D打印生物活性陶瓷人工骨，并取得了丰厚的创新成果。该项目已发表SCI学术论文20余篇，申请发明专利4项，项目总体达到国际先进、国内领先水平。目前，该项目成果已与国内多家医疗器械生产企业签订产品合作开发协议，将有望实现显著的经济效益并极大提升我国自主知识产权在骨科植入物市场的地位，并产生价高的社会效益。成果创新性：（1）相对传统的多孔人工骨制造技术与磷酸钙陶瓷基底材料，该项目采用先进的3D打印技术，结合具有主动促进成骨活性的硅酸盐生物活性陶瓷材料，从人工骨复杂的孔结构（支架的孔大小、孔形状、孔取向以及孔隙率和连通性；不同孔形貌组合的大孔图案化结构等）和基底材料组成同时入手，从本质上提升多孔人工骨的促进骨再生能力，具有明显的新颖性和创新性。（2）同时，通过对3D打印硅酸盐生物活性陶瓷人工骨的表面或内部结构进一步进行合理设计，实现了针对特殊临床应用（如骨肿瘤骨缺损和关节软骨-软骨下骨等）的有效修复，从而进一步突破了传统磷酸钙生物陶瓷人工骨在临床应用上的局限，具有明显的创新性。成果独占性：（1）该项目人工骨材料组成方面核心技术在于合理设计硅酸盐生物活性陶瓷化学组成及其粉体的高纯度制备。目前，该项目已经成功制备出一系列二元、三元、四元以及具有微量功能元素掺杂的硅酸盐类陶瓷，系统的研究了材料组成与其成骨、成血管等性能之间的关系规律，并以此为基础优化少筛选出一系列兼具成骨成血管活性、又具有不同功能特性的硅酸盐生物活性陶瓷材料。目前该项目已形成完善、稳定的材料制备技术体系，在项目产业化转化过程中可较好复制。（2）该项目人工骨结构设计方面核心技术在于3D打印工艺的精细控制。众所周知，由于生物陶瓷区别于高分子和金属材料的粉体及其烧结特性，采用3D打印技术制备多孔生物陶瓷人工骨及其结构上的精细调控一直以来都是一大技术难点。该项目通过大量的前期探索与研究，已成功实现多孔生物陶瓷的3D打印制备，特别是形成了基于硅酸盐生物活性陶瓷的成熟3D打印精细制备技术体系，目前在国内处于领先地位，并多次接待国内外企业、研究院所咨询技术相关信息。成果盈利性：近10年来，全世界对骨修复材料及其制品的需求量一直保持着20%左右的增长速度，我国这样一个人口大国，骨修复材料需求量的增长速度更为明显。据统计，我国骨缺损的病例为300万例/年，对骨修复材料的需求是200万例/年，目前的实际用量为50万例/年，因此存在巨大的市场缺口。在中国市场，目前骨修复产品的价格为每单元2000元人民币左右，每年有不低于10亿元人民币的市场，且年增长率不低于20%。基于上述市场现状，可以预期该项目具有极好的市场前景。此外，该项目的大量前期研究已经证实，相比于目前市面上传统的磷酸钙生物陶瓷类人工骨，3D打印生物活性陶瓷人工骨在具有更加合理的孔道结构的同时，力学强度与成骨活性提高100%以上；并且可通过进一步的设计加载传统生物陶瓷人工骨所不具备的其他特殊临床功能（如杀灭肿瘤、修复软骨等）。在性能上具有极为显著的提高。成果持续性：基于该项目成果，国内已有医疗器械生产企业与该项目单位达成合作协议，共同合作开发用骨缺损修复的新型3D打印生物活性陶瓷人工骨产品。基于该项目的前期基础，项目负责人及其团队在材料组成、宏观大孔结构、宏观梯度结构、表面微纳米结构以及表面生物功能性涂层等几个方面进一步对该项目的3D打印生物活性陶瓷人工骨体系进行了极大的丰富和延续，目前已经形成具有一定规模的人工骨材料、技术体系，并建立了相应的人工骨组成-宏观结构-微观结构-性能关系数据库。此外，该项目在创新过程中，积极与国内临床医院和企业合作，目前已经形成了具有一定规模的科研-产品开发-临床应用关系链。成果先进性：目前国内外临床上使用的生物陶瓷类多孔人工骨产品主要为磷酸钙类生物陶瓷，典型产品包括美敦力的MasterGraft，上海贝奥路的贝奥路生物陶瓷和武汉华威的百美特人工骨等，上述产品在多孔结构的实现方面主要采用造孔剂和模板法等传统技术。 |
发布机构：中国科学院上海硅酸盐研究所
