三維打印生物醫(yī)用材料在骨組織工程領(lǐng)域的研究進(jìn)展

三維打印技術(shù)由于其成型快速、可操控性強(qiáng)以及構(gòu)建復(fù)雜形狀的能力，在骨組織工程領(lǐng)域表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢，受到了研究者們越來越多的關(guān)注。本文對三維打印技術(shù)進(jìn)行了簡要概述，重點(diǎn)介紹了適合三維打印的生物材料，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

三維打印技術(shù)近年來得到了迅猛發(fā)展，它實(shí)際上是一系列快速成型技術(shù)的統(tǒng)稱。其打印原理簡單來說是采用分層加工、疊加成型的方式，即通過材料的精確逐層堆積從而快速制備形狀復(fù)雜的三維物體[1]。利用三維打印技術(shù)既可以制作標(biāo)準(zhǔn)模型，也可以為病人量身定制結(jié)構(gòu)復(fù)雜的手術(shù)支架等。通過計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）或者核磁共振（MRI）等醫(yī)學(xué)成像技術(shù)對病人骨缺損部位進(jìn)行掃描得到所需要的支架模型，隨后通過三維打印機(jī)制備成型，這是傳統(tǒng)的成型技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的[2]。近年來，三維打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)取得了廣泛應(yīng)用，尤其在骨組織工程領(lǐng)域，三維打印技術(shù)由于其可量身定制性，結(jié)構(gòu)和孔隙可控性以及可復(fù)合多種材料等特性受到了研究人員的廣泛關(guān)注。

骨組織工程的基本方法是將分離的高濃度成骨相關(guān)細(xì)胞等，經(jīng)體外培養(yǎng)后種植于天然的或人工合成的，具有良好生物相容性并可被人體逐步降解吸收的生物醫(yī)用支架上。這種醫(yī)用支架可為細(xì)胞提供生存的三維空間，有利于細(xì)胞獲得足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，排泄代謝產(chǎn)物，并且能夠按預(yù)制形態(tài)生長等。然后將這種細(xì)胞與生物材料的復(fù)合體植入骨缺損部位，在材料逐步降解的同時(shí)，種植的骨細(xì)胞不斷增殖，形成新骨，進(jìn)而達(dá)到修復(fù)骨缺損的目的[3]。

在本篇綜述中，我們詳細(xì)介紹了骨組織工程領(lǐng)域內(nèi)目前可用于三維打印的生物材料。同時(shí)由于不同的打印機(jī)能夠打印的生物材料不盡相同，所以我們也對三維打印機(jī)的種類及成型原理進(jìn)行了簡要概述。

三維打印技術(shù)簡要概述

目前市場上主要有熔融沉積式、立體平板印刷、選擇性激光燒結(jié)、直接漿料擠壓等技術(shù)可滿足組織工程中支架材料打印的相關(guān)需要。

光固化立體印刷技術(shù)

光固化立體印刷技術(shù)是通過特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到液態(tài)的光固化材料表面，使之按由點(diǎn)到線，由線到面的順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)。隨后工作臺下降一個(gè)凝膠層厚度，進(jìn)行下一層的掃描加工，層層疊加構(gòu)成所需的三維實(shí)體[4]。其優(yōu)點(diǎn)在于打印精度高，但其成型后需要清洗去除雜質(zhì)，且僅適用于具有光敏性的高分子材料，不能打印細(xì)胞、活性物質(zhì)等，限制了其更廣泛的發(fā)展。

熔融沉積技術(shù)

熔融沉積法是通過三維噴頭將熔融態(tài)的絲狀熱熔性材料按計(jì)算機(jī)控制路徑擠出、沉積、并凝固成型。所使用的原料通常為熱塑性高分子材料，包括聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚丙烯等。其優(yōu)勢在于制造簡單、成本低廉，且未使用溶劑或者其他添加劑，所以成型后不需要后續(xù)的去除雜質(zhì)的步驟。但其要求材料首先能夠被制備成細(xì)絲狀，且能夠在固液態(tài)之間迅速轉(zhuǎn)變。并且打印溫度較高（通常情況下溫度達(dá)到200℃），高溫可能會(huì)破壞原材料的化學(xué)成分以及生物活性，限制了其在生長因子、蛋白質(zhì)、細(xì)胞打印等方面的應(yīng)用[5]。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是利用激光束將粉末狀的原料經(jīng)過逐層掃描、熔融、粘結(jié)、固化后得到三維實(shí)體材料。其原料來源廣泛，高分子材料、陶瓷粉末、金屬粉末等都有可能通過激光燒結(jié)成型，而且加工速度快、無需使用支撐材料，但其缺點(diǎn)在于成本較高，需要使用大量材料，打印產(chǎn)品的表面較粗糙，并且激光的高溫作用會(huì)對生物材料的化學(xué)性質(zhì)造成破壞[6]。

直接漿料擠壓法

直接漿料擠壓法，其原理類似于噴墨打印機(jī)，是將料筒中粘性流動(dòng)狀態(tài)下的漿料按計(jì)算機(jī)控制路徑擠出、凝固成型，根據(jù)逐層打印、層層疊加的原理，得到三維實(shí)體材料。可直接將聚合物材料溶解在有機(jī)溶劑中，制成聚合物溶液墨水進(jìn)行打印。也可將陶瓷粉末、金屬粉末等與聚合物溶液混合，進(jìn)行打印。其優(yōu)勢在于能夠復(fù)合多種材料進(jìn)行打印，且打印精度高。但有機(jī)溶劑的使用對生物材料的性能可能會(huì)造成一些影響，而且成型后需要將其徹底去除[6]。

用于三維打印的生物材料

高分子類生物材料

生物醫(yī)用高分子材料具有非常優(yōu)異的加工性能，可適用于多種打印模式，并且具有良好的生物相容性和降解性，使得其成為三維打印生物材料中的主力軍。目前最受研究者青睞也是被應(yīng)用最多的三維打印高分子材料是可降解的脂肪族聚酯類材料，如聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）等。

聚乳酸是一種線型熱塑性脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性和生物降解性。聚乳酸由于其價(jià)格低廉、成型方便、無毒且可降解性，在骨組織工程領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。但聚乳酸的降解是由酯鍵水解實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)由于乳酸的釋放導(dǎo)致了周圍體液環(huán)境中PH值的下降。這些酸性副產(chǎn)物易引發(fā)組織炎癥及細(xì)胞死亡[7]。

聚己內(nèi)酯是一種半結(jié)晶型高聚物，在被加熱時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的流變性能以及粘彈性[8]，這使得其成為以熔融沉積為原理的打印機(jī)最主要應(yīng)用的材料之一。聚己內(nèi)酯在體內(nèi)能夠穩(wěn)定存在長達(dá)6個(gè)月，隨后在逐步降解，且副產(chǎn)物對人體無毒無害。

生物醫(yī)用陶瓷材料

生物陶瓷具有高強(qiáng)度和與自然骨相接近的礦物相，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用很廣，尤其是骨科和牙齒塑形方面。大部分三維打印的生物醫(yī)用陶瓷材料是模擬自然骨的礦物相、結(jié)構(gòu)以及機(jī)械性能。

羥基磷灰石因化學(xué)成分與自然骨的無機(jī)物質(zhì)非常相似，具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性，因而成為目前在人工骨修復(fù)領(lǐng)域中臨床使用最廣的一類鈣磷生物陶瓷。有研究者制備出羥基磷灰石基的支架，其孔隙率達(dá)到70%，將成骨誘導(dǎo)細(xì)胞培養(yǎng)在支架上，能夠粘附、增殖與分化，表明了支架在臨床應(yīng)用上的可行性[9]。

另外一個(gè)在三維打印中應(yīng)用很廣泛的磷酸鈣粉末是α和β相的磷酸鈣。磷酸三鈣，化學(xué)式為Ca3（PO4）2，簡稱TCP。是一種白色晶體或無定形粉末，磷酸三鈣具有良好的生物相容性、生物活性以及生物降解性，是理想的人體硬組織修復(fù)和替代材料，在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)領(lǐng)域一直受到人們的密切關(guān)注。很多研究團(tuán)隊(duì)嘗試用聚合物溶液作為β-TCP的粘結(jié)劑，以提高復(fù)合支架的粘結(jié)性能。比如，β-TCP與PCL結(jié)合提高其內(nèi)部的粘結(jié)性及力學(xué)性能。同時(shí)在其表面添加藥學(xué)試劑阿倫磷酸鈉的涂層，在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中亦可提高其傷口愈合能力[10]。endprint

生物玻璃是內(nèi)部分子呈無規(guī)則排列狀態(tài)的硅酸鹽的聚集體，材料中的組分可以同生物體內(nèi)的組分互相交換或者反應(yīng)，最終形成與生物體本身相容的物質(zhì)。研究者通過細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對生物活性玻璃進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)生物玻璃具有優(yōu)越的自降解性能，其離子產(chǎn)物可以增強(qiáng)成骨細(xì)胞的增殖分化和激活成骨基因的表達(dá)[11]。

復(fù)合材料

3D打印最初的焦點(diǎn)在于打印純的金屬材料或者聚合物材料，但隨著技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合漿料的打印發(fā)展越來越迅速。使用復(fù)合漿料的主要目標(biāo)便是提高漿料的性能，比如成型性、打印性、機(jī)械性能（強(qiáng)度）、生物活性（提高細(xì)胞功能以及組織整合性）。

聚乳酸是聚合物材料中最常使用的聚合物材料。正如上文提到的，聚乳酸沒有生物活性，它允許細(xì)胞黏附，但卻不能支持細(xì)胞活性。因此在聚乳酸基底中添加具有生物活性的陶瓷材料是很常見的方法。例如，在聚乳酸基底中添加生物活性的磷酸鈣玻璃，溶解在氯仿中形成生物漿料，通過DIW打印方法制備骨組織工程支架。將間質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)在其表面，可控地提高了細(xì)胞的黏附性，在體內(nèi)有更好的遷移和治愈響應(yīng)。生物活性玻璃的添加改變了復(fù)合支架的化學(xué)和表面形態(tài)，更有利于細(xì)胞分化[12]。

為了提高支架的力學(xué)性能和靈活性，羥基磷灰石和聚乙烯醇的水溶液復(fù)合支架被打印出來，隨后進(jìn)行了干燥和燒結(jié)。這些支架具有多孔結(jié)構(gòu)，并且強(qiáng)度達(dá)到了人體松質(zhì)骨的最低要求。PVA不需要太高的燒結(jié)溫度，并且能使支架層與層之間粘結(jié)更緊密，使得最終的支架更堅(jiān)硬且易于控制。有研究結(jié)果表明，支架的孔隙和幾何形狀對支架的性能表現(xiàn)也會(huì)有一定影響，而且能夠促進(jìn)HA陶瓷加速愈合[13]。通過三維打印技術(shù)將羥基磷灰石與聚合物混合，賦予其足夠的孔隙能夠打印出很好的人工骨支架，并且某一天也許能夠和自體骨移植相媲美。

三維打印骨組織工程支架材料的發(fā)展前景

隨著機(jī)械系統(tǒng)以及軟件行業(yè)的發(fā)展，三維打印在其分辨率、精確度、速度和自由性方面都有了很大提高。作為結(jié)果，三維打印一直是制備硬組織及軟組織工程支架的牽引力。但目前能夠生物降解的聚合物生物材料仍然寥寥無幾，且其成型性、降解性和力學(xué)性能都不容易單獨(dú)調(diào)控。目前來看，這些材料不能被修飾。他們現(xiàn)在被用作間距填充用處，可以滿足細(xì)胞基本的吸附，但不具有生物活性。因此未來幾十年內(nèi)，最大的挑戰(zhàn)還是尋找新穎的能夠生物降解的聚合物漿料，同時(shí)可調(diào)節(jié)其用途和性能。

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（作者簡介：姚皓文，鄭州市第101中學(xué)。）endprint