激光3D打印宏微纳结构及在骨再生中的应用

成果基本信息
关键词：	激光;人工骨;3D;打印;微纳结构
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	360-17-21620261	资源采集日期：	2018-03-05

研究情况
单位名称：	中南大学	技术水平：
评价证书号：		评价单位：
评价日期：		评价证书号：

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
联系人（平台）：	孵化基地	联系人（平台）电话：	0771-3394012
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成果简介
损伤与修复、缺失与再生一直是人类无限追求和不断探索的世界性难题，特别是随着意外创伤的增加和人口老龄化的加剧，对人工骨的需求日益增长。该项目在国家自然科学基金等项目的支持下，针对目前人工骨存在的生物力学性能差、多孔结构制备难、组织再生能力弱的问题，研制了能实现人工骨微纳结构演变的激光3D打印装备，开展了高性能多孔人工骨的结构设计和精细制造，取得的成果如下：　　1、开发了双光斑分区扫描系统和振镜-激光动态平衡控制技术提高成型精度的同时保证了成型速度；研发了八区加热系统及全过程温度自控技术解决了因热场不均导致的翘曲变形现象；设计了梯台型通道气体保护装置实现了气帘均匀稳定的定向流动；在此基础上集成创新研制了面向人工骨制备的激光3D打印系统。　　2、提出利用激光能量密度高的特性实现快速升温从而抑制陶瓷晶粒长大的新思路，制备了宏观尺度的纳米陶瓷人工骨；基于激光作用区域小和镁合金热导率高的特点实现快速凝固从而增大合金元素固溶度，形成了细晶生物镁合金骨支架的关键制备技术；构建了微纳尺度晶粒-宏观尺度人工骨的激光微纳制造方法。　　3、通过激光光斑直径与扫描间距相匹配实现了150-800μm贯穿孔的可控制备，结合3D打印实现了人工骨的个体化定制；建立了利用聚合物烧除形成10-100μm球形孔和选择性腐蚀获得表面纳米孔的理论与方法。构建了从纳米、亚微米到微米尺度的多孔仿生微环境，实现了多孔结构和复杂外形的成形成性一体化制造。　　4、利用激光将成型时间缩短至秒级甚至毫秒级的特点，避免了低维纳米材料在高温成型过程中的结构破坏；提出利用二维片状石墨烯和一维管状氮化硼纳米管构建了一种“三明治”纳米组合结构实现了纳米第二相在基体中的协同分散与强韧化，查明了纳米第二相与基体的界面结合特性及载荷传递机理。　　5、查明了人工骨降解和新骨组织形成的动态过程，提出将不同降解性能的生物材料复合实现了降解速率的可控；发现了氮化硼纳米管等材料能提高干细胞的分化能力，查明了其诱导干细胞定向成骨分化的信号通路，揭示了诱导干细胞定向成骨分化的本质，发展了人造结构向生物结构的转化理论与方法。　　发表论文133篇，其中SCI论文123篇、JCR一区55篇；总引用2002次，SCI引用1399次，包括被美英等国32位院士等SCI他引1131次；出版专著5部；培养科技部领军人才1人、长江学者1人、全国优博1人、青千1人、优青2人、霍英东基金1人。美国科学院、工程院、艺术与科学院三院院士Mildred Dresselhaus教授认为项目成果提高了人工骨的力学性能；全球最大的快速成型服务商Materialise公司创始人Jean-Pierre Kruth教授认为项目成果改善了人工骨的生物学性能。英国皇家工程院院士、世界被引用次数最多的材料学家Seeram Ramakrishna教授认为项目成果不仅能改善力学性能，还能改善生物学性能。　　申报国家专利58项，目前已授权29项，获软件著作权9项，制定企业标准4项；所开发的激光3D打印设备和所制备的生物材料在湖南华曙高科技有限责任公司、湘雅医院等11家企业医院得到推广应用，被认为性能稳定、精度高、力学和生物学性能优良，在生产和临床中取得了良好的效果；新增产值3.8亿元，节支总额4136.8万元；研究成果丰富与发展了激光增材制造理论，促进了机械、材料、医学等学科交叉研究，推动了我国生物产业的技术进步。

成果名称：	激光3D打印宏微纳结构及在骨再生中的应用	关键词：	激光;人工骨;3D;打印;微纳结构
成果类别：		一级分类名称：	医学生物工程
二级分类名称：		三级分类名称：
研究起止时间：	2003.01 至2015.01	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	中南大学	学科分类2：	510.20
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：	TN24	课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	51222506
经费实际投入额（万元）：	0.00	评价单位：
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：		转让范围：
评价证书号：		推荐单位：
推广形式：	无	成果登记号：	360-17-21620261
成果简介：	损伤与修复、缺失与再生一直是人类无限追求和不断探索的世界性难题，特别是随着意外创伤的增加和人口老龄化的加剧，对人工骨的需求日益增长。该项目在国家自然科学基金等项目的支持下，针对目前人工骨存在的生物力学性能差、多孔结构制备难、组织再生能力弱的问题，研制了能实现人工骨微纳结构演变的激光3D打印装备，开展了高性能多孔人工骨的结构设计和精细制造，取得的成果如下：　　1、开发了双光斑分区扫描系统和振镜-激光动态平衡控制技术提高成型精度的同时保证了成型速度；研发了八区加热系统及全过程温度自控技术解决了因热场不均导致的翘曲变形现象；设计了梯台型通道气体保护装置实现了气帘均匀稳定的定向流动；在此基础上集成创新研制了面向人工骨制备的激光3D打印系统。　　2、提出利用激光能量密度高的特性实现快速升温从而抑制陶瓷晶粒长大的新思路，制备了宏观尺度的纳米陶瓷人工骨；基于激光作用区域小和镁合金热导率高的特点实现快速凝固从而增大合金元素固溶度，形成了细晶生物镁合金骨支架的关键制备技术；构建了微纳尺度晶粒-宏观尺度人工骨的激光微纳制造方法。　　3、通过激光光斑直径与扫描间距相匹配实现了150-800μm贯穿孔的可控制备，结合3D打印实现了人工骨的个体化定制；建立了利用聚合物烧除形成10-100μm球形孔和选择性腐蚀获得表面纳米孔的理论与方法。构建了从纳米、亚微米到微米尺度的多孔仿生微环境，实现了多孔结构和复杂外形的成形成性一体化制造。　　4、利用激光将成型时间缩短至秒级甚至毫秒级的特点，避免了低维纳米材料在高温成型过程中的结构破坏；提出利用二维片状石墨烯和一维管状氮化硼纳米管构建了一种“三明治”纳米组合结构实现了纳米第二相在基体中的协同分散与强韧化，查明了纳米第二相与基体的界面结合特性及载荷传递机理。　　5、查明了人工骨降解和新骨组织形成的动态过程，提出将不同降解性能的生物材料复合实现了降解速率的可控；发现了氮化硼纳米管等材料能提高干细胞的分化能力，查明了其诱导干细胞定向成骨分化的信号通路，揭示了诱导干细胞定向成骨分化的本质，发展了人造结构向生物结构的转化理论与方法。　　发表论文133篇，其中SCI论文123篇、JCR一区55篇；总引用2002次，SCI引用1399次，包括被美英等国32位院士等SCI他引1131次；出版专著5部；培养科技部领军人才1人、长江学者1人、全国优博1人、青千1人、优青2人、霍英东基金1人。美国科学院、工程院、艺术与科学院三院院士Mildred Dresselhaus教授认为项目成果提高了人工骨的力学性能；全球最大的快速成型服务商Materialise公司创始人Jean-Pierre Kruth教授认为项目成果改善了人工骨的生物学性能。英国皇家工程院院士、世界被引用次数最多的材料学家Seeram Ramakrishna教授认为项目成果不仅能改善力学性能，还能改善生物学性能。　　申报国家专利58项，目前已授权29项，获软件著作权9项，制定企业标准4项；所开发的激光3D打印设备和所制备的生物材料在湖南华曙高科技有限责任公司、湘雅医院等11家企业医院得到推广应用，被认为性能稳定、精度高、力学和生物学性能优良，在生产和临床中取得了良好的效果；新增产值3.8亿元，节支总额4136.8万元；研究成果丰富与发展了激光增材制造理论，促进了机械、材料、医学等学科交叉研究，推动了我国生物产业的技术进步。
联系人：	阮丽君	成果登记日期：	2017-04-17
联系人email：		单位代码：	94300058
邮政编码222：	410083	联系人电话：	0731-88877942
单位传真：	0731-88879919	单位通讯地址：	湖南省长沙市岳麓区麓山南路
单位所在省市：		单位电话：	0731-88836104;88876073
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：	湖南华曙高科技有限责任公司;湘潭大学;香港大学深圳医院	已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2017	知识产权形式：
成果完成人：	帅词俊;彭淑平;赵明纯;谢辉;冯佩;吴萍;周智阳;高成德;刘鑫炎;杨胜;陈礼;苏婷	资源采集日期：	2018-03-05

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