三維打印骨組織工程支架材料的研究進展

王悅

摘 要：三維打印快速成型技術的迅猛發(fā)展為許多領域帶來了便利，引起了科學界的廣泛關注。尤其是在生物醫(yī)學領域，三維打印技術因其快速成型以及構建復雜形狀的能力表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢。本文簡要概述了不同種類的三維打印技術以及應用于三維打印的支架材料，并對其發(fā)展前景進行了展望。

關鍵詞：三維打??；骨組織工程支架；金屬材料；無機非金屬材料；高分子材料

中圖分類號：R683 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0193-02

1 引言

在日常生活中，由于意外事故、疾病創(chuàng)傷等容易造成骨折或骨缺損的病癥。利用骨組織工程原理將支架材料移植到患者缺損的部位是一種有效的治療方法。其基本原理是把相關的成骨細胞等種植于支架材料上，體外培養(yǎng)一段時間后，將其移植到骨缺損部位。支架材料能夠逐步降解，同時又能夠誘導新生骨的形成，從而達到修復骨缺損的目的。細胞、生長因子、支架材料是骨組織工程的三大基本要素，其中支架材料的選擇與設計是研究的重點。傳統(tǒng)制備骨組織工程支架的方法包括冷凍干燥法、粒子瀝濾法等，但這些方法均難以控制支架的孔隙結構。

近年來，三維打印技術得到了迅猛發(fā)展，它實際上是一系列快速成型技術的統(tǒng)稱。通過層層打印，逐層疊加的方式制備出具有復雜形狀的三維實體。與傳統(tǒng)的支架制備方式相比三維打印技術能夠為病人量身定制結構復雜的支架材料，同時又能夠精確調控內部孔隙與結構。因此，在骨組織工程支架材料制備領域展現(xiàn)出很大的應用前景，受到了研究人員的廣泛關注。在本篇綜述中，我們對三維打印技術的種類及成型原理進行簡要概述，同時又詳細介紹了可用于三維打印制備骨組織工程支架的材料。

2 三維打印技術的簡要概述

三維打印是一項新興技術，其基本原理是通過噴頭在平面、垂直方向上的移動對材料進行層層加工、逐層疊加，形成三維打印實體。三維打印骨組織工程支架的一般步驟是：掃描患者的病變組織，收集三維打印所需數(shù)據(jù)，構建三維圖像模型，把三維打印材料按照合適的厚度進行切片、堆積，最后得到三維多孔的支架[1]。目前，三維打印技術主要包括光固化立體印刷技術、選擇性激光燒結技術、熔融沉積成型、與細胞結合的三維生物打印技術等[2]。每種三維打印技術均有其優(yōu)缺點與適用的材料。

2.1 光固化立體印刷

光固化立體印刷的主要原理是將具有光敏特性的液態(tài)材料表面進行紫外激光掃描，使液態(tài)材料發(fā)生光聚合反應后被固化。工作臺也將調整高度進行逐層掃描，得到三維打印實體[3]。光固化立體印刷使用的原料主要包括光敏性樹脂等，它打印的產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、支架力學強度高、精度高等優(yōu)點，但其缺點是適用的材料有限且成型后需要除雜等等。

2.2 選擇性激光燒結

選擇性激光燒結技術與光固化立體印刷原理相似，不同的是，選擇性激光燒結是通過激光產(chǎn)生的高溫使粉末狀的原料表面變成熔融態(tài)后實現(xiàn)粘合。因此，其適用范圍更加廣泛。但與光固化立體印刷相比，其打印產(chǎn)品表面較粗糙，并且高分子材料在激光的高溫作用下容易降解。

2.3 熔融沉積型

熔融沉積型是按計算機控制的路徑將高溫熔融態(tài)的材料擠出，經(jīng)逐層沉積后得到所需的三維產(chǎn)品[4]。其優(yōu)點是支架強度高、精度高，且無需除雜，缺點是在高溫條件下，生物大分子的活性會降低，導致打印不能順利完成。

2.4 與細胞結合的三維生物打印

與細胞結合的三維生物打印是三維打印技術中關注度最高的一種打印方式，它與以上幾種打印方式不同。它可以直接打印出材料與細胞一體化的支架，這種支架具有更高且分布更均勻的細胞密度，但由于細胞對生存環(huán)境的要求極為苛刻，所以可適用的材料十分有限。

3 可用于打印的骨組織工程支架材料

3.1 金屬材料

金屬材料廣泛應用于硬組織修復研究領域，它在力學強度、導電性及延展性等方面具有突出優(yōu)勢。金屬材料打印首先需要實現(xiàn)金屬粉末的熔合，再通過層層加工、逐層疊加得到三維打印實體。由于在高溫或激光照射條件下，金屬粉末更容易熔合，所以金屬三維打印一般采用選擇性激光燒結和光固化立體印刷的方式進行成型。目前應用于骨組織工程支架打印的金屬材料主要有鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金和鎂合金等。骨腫瘤科教授郭征帶領的團隊已經(jīng)完成對患者肩胛帶和鎖骨鈦合金假體的三維打印制備，并成功通過手術將鈦合金假體植入到患者體內，這是世界范圍內首例肩胛帶不定形骨重建的應用，它標志著三維打印個體化金屬骨組織修復技術的進一步成熟[5]。三維打印不定性骨組織植入假體與傳統(tǒng)植入假體制備技術相比，三維打印個體化鈦合金植入假體具有更高的匹配性且功能和外形也更能得到醫(yī)生、患者的認可。然而，這項技術還難以實現(xiàn)平民化，由于金屬材料價格昂貴，一定程度上會加大患者的經(jīng)濟負擔。

3.2 生物醫(yī)用無機非金屬材料

生物醫(yī)用無機非金屬材料主要包括生物玻璃、羥基磷灰石等生物陶瓷材料。生物陶瓷材料具有強度高、硬度大、密度低、耐高溫、耐腐蝕等特點，在骨組織工程領域有著廣泛的應用。羥基磷灰石是人體骨組織的主要無機組成成分，廣泛存在于人體的骨骼和牙齒中，具有很高的相容性與生物活性，目前常應用于齒科和骨組織再生工程領域。生物玻璃是目前被大量研究的生物陶瓷材料之一，其內部結構是呈無規(guī)則排列狀態(tài)的硅酸鹽分子，主要含有鈉離子、鈣離子、磷離子等幾種金屬離子。當它們在一定比例和特定的化學反應條件下，會生成含有羥基磷酸鈣的仿生復合物[6]。生物玻璃也具有降解性和生物活性，能夠誘導骨組織的再生?？茖W家曾用生物玻璃制備出猴子的大腿骨，將其植入猴子體內，一段時間后發(fā)現(xiàn)生物玻璃與再生的猴子大腿骨細胞能夠緊密結合，而且力學實驗的結果表明，相較于原生骨，人造骨表現(xiàn)出更加優(yōu)異的力學性能[7]。由此可見，生物玻璃具有良好的生物相容性以及優(yōu)異的力學性能，在骨組織工程的研究中具有很廣闊的發(fā)展前景。

3.3 高分子材料

近年來，生物高分子材料可謂異軍突起，成為發(fā)展最快的醫(yī)學材料。目前應用于骨組織工程支架領域的高分子材料主要有聚乳酸、聚己內酯等。聚乳酸是一種熱塑性脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性和生物降解性。Yamada等人通過熔融沉積技術打印出三維多孔的生物支架，且實驗結果表明該支架無毒且具有生物降解性[8]。聚己內酯是一種半晶型高聚物，在被加熱時表現(xiàn)出優(yōu)異的流變性能，這使其成為以熔融沉積型為原理的打印機中最主要的材料之一。聚己內酯在體內能夠逐步降解，且副產(chǎn)物安全無毒，在骨組織支架研究領域以及醫(yī)學領域必將發(fā)揮出更大的作用[9]。

4 結語

三維打印骨組織工程支架材料具有生物相容性好、免疫排斥反應低、精度高等優(yōu)點，是一種可行性極高的新型技術。但目前利用三維打印技術制造骨組織工程支架還處于研究發(fā)展階段，缺少臨床應用經(jīng)驗，打印材料的研發(fā)也還不夠成熟。不過，三維打印骨組織工程支架在將來必定會有很大的突破和進展，并為醫(yī)學領域做出突出貢獻。

參考文獻

[1]Leong KF，Cheah CM，Chua CK.Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for engineering replacementtissues and organs.Biomaterials，2003，24：2363-2378.

[2]賀超良，湯朝暉，田華雨，等.3D打印技術制備生物醫(yī)用高分子材料的研究進展[J].高分子學報，2013，6：722-732.

[3]Shin JH，Lee JW，Jung JH，et al.Evaluation of cell proliferation and differentiation on a poly（propylene fumarate） 3Dscaffold treated with functional peptides， J Mater Sci，2011，46：5282-5287.

[4]田冶，曾慶慧，胡相華，等.3D打印技術及在組織工程領域的研究進展[J].中國醫(yī)療器械信息，2015，（8）：9.

[5]裴延軍，吳智鋼.世界首例3D打印金屬鎖骨和肩胛骨植入手術在西京醫(yī)院成功實施[J].生物骨科材料與臨床研究，2014，（3）：34.

[6]車晨，耿亞亞，郝葆青.生物活性玻璃分子生物學特性的研究進展[J].內蒙古農業(yè)大學學報：自然科學版，2015，（1）：179.

[7]孫慕松，宮俊霞，宋文植.3D打印技術在生物醫(yī)學領域的應用[J].世界復合醫(yī)學，2015，（2）：115.

[8]Yamada A，Niikura F，Ikuta K.Three-dimensional microfabrication system for biodegradable microdevices with high-resolution and bio-applicability.Bioeng Div Asme.2005；57：57-62.

[9]楊延慧，嚴涵，康曉梅，等.聚己內酯的應用研究進展[J].化工新型材料，2011，（12）：14.