随着最后一层纱布掀开,阳光映入张顺(化名)的眼帘。
在经历失明的焦灼和痛苦后,这位20岁的小伙子终于重见光明。令人惊喜的变化,源于不久前他的左眼植入了一枚领扣型人工角膜。
为张顺做手术的是中华医学会眼科学分会角膜病学组组长、山东省眼科医院院长史伟云。他告诉科技日报记者:“我国约有400万名角膜盲患者,其中约20%是像张顺这样的终末期角膜盲患者。他们复明的唯一手段是移植人工角膜。”
实现人工角膜国产化,是广大眼科医务工作者的共同愿望。因为长期以来,全球仅美国和俄罗斯有人工角膜上市。在2015年的一次学术会议上,史伟云与中山大学博士翟嘉洁深入交流后下定决心:研制人工角膜,让我国终末期角膜盲患者重见光明!
“笨”办法造出理想材料
“当时,美国波士顿Ⅰ型人工角膜(以下简称‘波士顿Ⅰ型’)已广泛使用,但出国治疗费用高达10万美元,让普通家庭望而却步。”史伟云对记者说,“人工角膜国产化迫在眉睫。”
2016年,翟嘉洁牵头成立广东佳悦美视生物科技有限公司,史伟云担任首席科学家,参照波士顿Ⅰ型开始国产化攻关。该角膜包括镜柱、后板、卡圈三部分,组装后像一枚“领扣”,因此又称领扣型人工角膜。
其中,镜柱是核心部件,它状如透明小蘑菇,“蘑菇盖”和“蘑菇柄”直径只有几毫米。制造镜柱的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料须满足多个条件:高折射率、可过滤紫外线、符合ISO 10933-1生物相容性标准。“硬度还要适宜。太硬,切削时易碎;太软,又容易出现划痕。”史伟云介绍。
在国内寻找这种材料如大海捞针。
研发团队机械加工师翟舒平带领大家四处寻找PMMA材料做试验。“找到的材料虽满足加工条件,但不符合医用标准,有很多肉眼看不见的杂质,且棒材密度低。”
他们又尝试通过各种途径采购美国生产的PMMA材料,但都因技术封锁吃了闭门羹。
翟嘉洁决定,自主生产PMMA材料。但很快就犯了难:用什么设备生产?
没有经验可循,只能用“笨办法”——对多台PMMA材料生产设备一一进行评估。经过无数次测试,终于筛选出注塑成型设备。
“其实,注塑原理并不复杂。先把粒状原料加入注射机,加热熔化。接着,螺杆推动液态原料进入模具型腔,最后硬化塑形。但注塑过程要求很高——不能析出过多单体杂质,不能带入重金属。”设备负责人梁成新说,“要生产出合格产品,关键是设备各项参数的设定。”
“那会儿是最冷的时节,我们在郊区空旷的厂房内冻得瑟瑟发抖,一边做试验一边调参数,经常忙到凌晨两三点,熬通宵是常事。”翟嘉洁回忆道。
试验、失败,再试验、再失败……研发团队花了大半年才摸索出合适参数,最终用了两年时间生产出理想的PMMA材料。
他山之石助力技术攻关
镜柱的“蘑菇盖”类似光学镜头,光透过镜柱精准聚焦在黄斑区,患者的眼睛才能看清物体。
切削、翻面、抛光,是加工“蘑菇盖”的常规流程。但这种方式会带来较大偏心误差,导致光难以精准聚焦,影响患者术后视力。
“解决这个问题没有思路,我们就去找行业内专家咨询。结合专家建议和生产中遇到的情况,不断修改图纸,前后70多次。”翟舒平告诉记者。
反复推敲打磨后,研发团队摸索出六轴数控车床整体切削工艺,通过20多把刀同时作业,实现一次切削成型,省去了翻面和抛光两道工序。
最终,镜柱光学偏心值被控制在0.01毫米以内,远优于波士顿Ⅰ型0.03毫米的平均值。
控制“蘑菇盖”边缘厚度是另一个难题。
“边缘太厚,植入眼睛会导致眼睑上下滑动不顺畅,不利于角膜上皮细胞爬升,移植后可能出现前房漏水甚至造成异物聚集。”史伟云介绍,“波士顿Ⅰ型镜柱边缘最薄处为0.04毫米,我们决定把这个数字控制在0.03毫米内。这对减少术后眼内炎发生率至关重要。”
把边缘做薄面临两大问题:一是加工材料材质较硬易破碎,二是加工温度过高时易发生熔融。
研发团队再次陷入茫然,他们四处寻找方案。在苏州一家人工晶体生产企业考察时,翟舒平看到车床上安装的冷却系统,顿觉眼前一亮:办法有了!
受此启发,研发团队给数控车床加装了在线实时冷却系统。该系统在切削PMMA材料的关键时间点,可通过智能控制实时对特定位置进行瞬间冷却。“这样一来,在加快车床进刀与切削速度时,不用再担心切割过程中产生高温导致材料熔融。”翟舒平说。
与此同时,技术人员将车床车刀进给量调整为纳米级别,并换上了更精细、更锋利的钻石车刀。
改进设备和工艺后,研发团队一举攻克难关——镜柱边缘最薄达到0.02毫米!
另辟蹊径破除工艺瓶颈
后板像一枚纽扣,直径约为8.5毫米,上有16个直径为1.17毫米的小孔。
“后板主要用来固定载体角膜,需要具备一定曲率才能与载体角膜贴合。”史伟云介绍。
制造后板的材料是金属钛。传统加工方式是先在车床上加工出一块平面的钛圆片,再通过冲床加工把钛圆片冲压成有一定曲率的曲面。
但冲压会产生金属内应力。“好比你一拳打在沙袋上,撞出了一个坑,手拿开后,它会弹回去。内应力类似于这种回弹效应。”史伟云说,“后板的内应力会对载体角膜造成压迫,导致载体角膜溶解坏死,还会增大房水渗漏及眼内感染风险。”
如何有效解决内应力难题?经过反复测试、分析,研发团队摸索出走心加工一体成曲率的方式。“我们通过精密设备直接加工出呈曲面的后板,而不是靠冲压,这就使后板不再产生内应力,能与载体角膜完美贴合。”翟舒平解释。
对研发团队而言,创新永远在路上。更多关键技术不断被“解锁”:后板颜色采用与中国人虹膜相近的棕色,卡圈经喷砂及氧化处理消除了反光……
“最初只是想赶上美国,让患者用得上、用得起中国人自己的人工角膜。”翟嘉洁感慨道,“没想到翻过一座座技术大山后,多项技术指标实现了反超!”
经过5年多努力,材料、厚度、内应力等难题相继被攻克。2021年,国产领扣型人工角膜终于研制成功。几年来,这款产品已进入20多家医院,帮助近百位患者重见光明。
回首研发历程,翟嘉洁表示:“核心技术是定海神针、不二法器。只要坚定创新自信,把核心技术掌握在自己手中,我们也可以从跟跑者变成并行者、领跑者,在新起点上实现更大跨越!”
随着最后一层纱布掀开,阳光映入张顺(化名)的眼帘。
在经历失明的焦灼和痛苦后,这位20岁的小伙子终于重见光明。令人惊喜的变化,源于不久前他的左眼植入了一枚领扣型人工角膜。
为张顺做手术的是中华医学会眼科学分会角膜病学组组长、山东省眼科医院院长史伟云。他告诉科技日报记者:“我国约有400万名角膜盲患者,其中约20%是像张顺这样的终末期角膜盲患者。他们复明的唯一手段是移植人工角膜。”
实现人工角膜国产化,是广大眼科医务工作者的共同愿望。因为长期以来,全球仅美国和俄罗斯有人工角膜上市。在2015年的一次学术会议上,史伟云与中山大学博士翟嘉洁深入交流后下定决心:研制人工角膜,让我国终末期角膜盲患者重见光明!
“笨”办法造出理想材料
“当时,美国波士顿Ⅰ型人工角膜(以下简称‘波士顿Ⅰ型’)已广泛使用,但出国治疗费用高达10万美元,让普通家庭望而却步。”史伟云对记者说,“人工角膜国产化迫在眉睫。”
2016年,翟嘉洁牵头成立广东佳悦美视生物科技有限公司,史伟云担任首席科学家,参照波士顿Ⅰ型开始国产化攻关。该角膜包括镜柱、后板、卡圈三部分,组装后像一枚“领扣”,因此又称领扣型人工角膜。
其中,镜柱是核心部件,它状如透明小蘑菇,“蘑菇盖”和“蘑菇柄”直径只有几毫米。制造镜柱的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料须满足多个条件:高折射率、可过滤紫外线、符合ISO 10933-1生物相容性标准。“硬度还要适宜。太硬,切削时易碎;太软,又容易出现划痕。”史伟云介绍。
在国内寻找这种材料如大海捞针。
研发团队机械加工师翟舒平带领大家四处寻找PMMA材料做试验。“找到的材料虽满足加工条件,但不符合医用标准,有很多肉眼看不见的杂质,且棒材密度低。”
他们又尝试通过各种途径采购美国生产的PMMA材料,但都因技术封锁吃了闭门羹。
翟嘉洁决定,自主生产PMMA材料。但很快就犯了难:用什么设备生产?
没有经验可循,只能用“笨办法”——对多台PMMA材料生产设备一一进行评估。经过无数次测试,终于筛选出注塑成型设备。
“其实,注塑原理并不复杂。先把粒状原料加入注射机,加热熔化。接着,螺杆推动液态原料进入模具型腔,最后硬化塑形。但注塑过程要求很高——不能析出过多单体杂质,不能带入重金属。”设备负责人梁成新说,“要生产出合格产品,关键是设备各项参数的设定。”
“那会儿是最冷的时节,我们在郊区空旷的厂房内冻得瑟瑟发抖,一边做试验一边调参数,经常忙到凌晨两三点,熬通宵是常事。”翟嘉洁回忆道。
试验、失败,再试验、再失败……研发团队花了大半年才摸索出合适参数,最终用了两年时间生产出理想的PMMA材料。
他山之石助力技术攻关
镜柱的“蘑菇盖”类似光学镜头,光透过镜柱精准聚焦在黄斑区,患者的眼睛才能看清物体。
切削、翻面、抛光,是加工“蘑菇盖”的常规流程。但这种方式会带来较大偏心误差,导致光难以精准聚焦,影响患者术后视力。
“解决这个问题没有思路,我们就去找行业内专家咨询。结合专家建议和生产中遇到的情况,不断修改图纸,前后70多次。”翟舒平告诉记者。
反复推敲打磨后,研发团队摸索出六轴数控车床整体切削工艺,通过20多把刀同时作业,实现一次切削成型,省去了翻面和抛光两道工序。
最终,镜柱光学偏心值被控制在0.01毫米以内,远优于波士顿Ⅰ型0.03毫米的平均值。
控制“蘑菇盖”边缘厚度是另一个难题。
“边缘太厚,植入眼睛会导致眼睑上下滑动不顺畅,不利于角膜上皮细胞爬升,移植后可能出现前房漏水甚至造成异物聚集。”史伟云介绍,“波士顿Ⅰ型镜柱边缘最薄处为0.04毫米,我们决定把这个数字控制在0.03毫米内。这对减少术后眼内炎发生率至关重要。”
把边缘做薄面临两大问题:一是加工材料材质较硬易破碎,二是加工温度过高时易发生熔融。
研发团队再次陷入茫然,他们四处寻找方案。在苏州一家人工晶体生产企业考察时,翟舒平看到车床上安装的冷却系统,顿觉眼前一亮:办法有了!
受此启发,研发团队给数控车床加装了在线实时冷却系统。该系统在切削PMMA材料的关键时间点,可通过智能控制实时对特定位置进行瞬间冷却。“这样一来,在加快车床进刀与切削速度时,不用再担心切割过程中产生高温导致材料熔融。”翟舒平说。
与此同时,技术人员将车床车刀进给量调整为纳米级别,并换上了更精细、更锋利的钻石车刀。
改进设备和工艺后,研发团队一举攻克难关——镜柱边缘最薄达到0.02毫米!
另辟蹊径破除工艺瓶颈
后板像一枚纽扣,直径约为8.5毫米,上有16个直径为1.17毫米的小孔。
“后板主要用来固定载体角膜,需要具备一定曲率才能与载体角膜贴合。”史伟云介绍。
制造后板的材料是金属钛。传统加工方式是先在车床上加工出一块平面的钛圆片,再通过冲床加工把钛圆片冲压成有一定曲率的曲面。
但冲压会产生金属内应力。“好比你一拳打在沙袋上,撞出了一个坑,手拿开后,它会弹回去。内应力类似于这种回弹效应。”史伟云说,“后板的内应力会对载体角膜造成压迫,导致载体角膜溶解坏死,还会增大房水渗漏及眼内感染风险。”
如何有效解决内应力难题?经过反复测试、分析,研发团队摸索出走心加工一体成曲率的方式。“我们通过精密设备直接加工出呈曲面的后板,而不是靠冲压,这就使后板不再产生内应力,能与载体角膜完美贴合。”翟舒平解释。
对研发团队而言,创新永远在路上。更多关键技术不断被“解锁”:后板颜色采用与中国人虹膜相近的棕色,卡圈经喷砂及氧化处理消除了反光……
“最初只是想赶上美国,让患者用得上、用得起中国人自己的人工角膜。”翟嘉洁感慨道,“没想到翻过一座座技术大山后,多项技术指标实现了反超!”
经过5年多努力,材料、厚度、内应力等难题相继被攻克。2021年,国产领扣型人工角膜终于研制成功。几年来,这款产品已进入20多家医院,帮助近百位患者重见光明。
回首研发历程,翟嘉洁表示:“核心技术是定海神针、不二法器。只要坚定创新自信,把核心技术掌握在自己手中,我们也可以从跟跑者变成并行者、领跑者,在新起点上实现更大跨越!”
本文链接:http://www.gihot.com/news-2-1022-0.html在追赶中反超——国产领扣型人工角膜研发纪实
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