3D打印技術(shù)在抗感染生物材料制作中的研究進(jìn)展*

車柯達(dá)，陳 穎 綜述 雷玉潔 審校

(昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院/云南省腫瘤醫(yī)院胸外科一病區(qū)，昆明 650118)

3D打印技術(shù),又稱快速成型技術(shù)，指在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)模型或計(jì)算機(jī)斷層掃描等數(shù)據(jù)，在精確的3D堆積下，按照“分層制造、逐層疊加”的基本原理，使用具有一定可塑性的材料，快速訂制各種復(fù)雜形狀物體的制造方法[1]。近十五年來3D打印技術(shù)飛速發(fā)展，各類材料均可以作為3D打印的原材料如：液態(tài)光敏樹脂、生物可降解水凝膠、熱縮性高分子、塑料、陶瓷、金屬粉末及細(xì)胞等[2]。

在臨床工作中通常需使用一類能對機(jī)體、器官和組織進(jìn)行診治、修復(fù)、誘導(dǎo)再生或增進(jìn)其特殊功能的特殊材料，被稱為醫(yī)用生物材料或生物材料。臨床常用的生物材料包括：體外循環(huán)管道、腫瘤外科修護(hù)代替材料、人工關(guān)節(jié)、各類引流管道、心臟瓣膜、合金材料、各種支架及植入設(shè)備等[3]。

目前臨床工作中所使用的生物材料大多采用傳統(tǒng)制造技術(shù)如：熱熔擠出成型法(hot melt extrusion,HME)、注塑法、模鑄法制造，其成品精度差、結(jié)構(gòu)簡單，所使用材料較單一。3D打印技術(shù)由于其可快速精確制備各種復(fù)雜形狀的生物材料，并能對材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制，以滿足不同患者的個(gè)性化需要，使得3D打印技術(shù)在組織工程應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢[4-5]。目前組織工程學(xué)家正嘗試使用活體細(xì)胞為原材料使用3D打印制作可供移植的組織及器官如：血管、角膜、腎臟、唾液腺等[6-8]。

生物材料在植入或介入人體后，細(xì)菌易在其表面黏附、增殖并形成生物被膜(biofilm,BF)。由于BF的保護(hù)作用，膜內(nèi)細(xì)菌很難被抗菌藥物殺滅，并會不斷繁殖和釋放出浮游細(xì)菌，造成反復(fù)感染或惡化，造成生物材料植入感染(biomaterial centered infection,BCI)[1,9-10]。BF是造成BCI難治的主要原因，一旦發(fā)生感染，多數(shù)情況下需被迫取出生物材料，或由于機(jī)體功能的需要不得不再次植入生物材料。

目前3D打印技術(shù)可將抗菌材料通過準(zhǔn)確三維堆積成特定空間位置達(dá)到抗菌效果，或通過控制生物材料表面形貌以減少病原菌的黏附達(dá)到抗菌效果。本文就3D打印技術(shù)制作醫(yī)用生物材料與抗感染生物材料的現(xiàn)狀和前景進(jìn)行介紹。

1 3D打印技術(shù)制備醫(yī)用生物材料的現(xiàn)況

3D打印制作醫(yī)用植入材料的常用方法為光固化成型(stereolithigraphy apparatus,SLA)、熔融沉積快速成型(fused deposition modeling,FDM)、選擇性激光熔化成型(selective laser melting,SLM)和三維噴印成型(3D printing and plotting processing，3DP)[11-13]。其主要使用材料包括：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS)、工程塑料、聚乳酸(poly lactic acid，PLA)、光敏樹脂和各類型金屬粉末。

目前可臨時(shí)植入人體或與皮膚黏膜短時(shí)間接觸的生物材料可通過3D打印技術(shù)制作，如假體、耳廓支架、助聽器、假肢等。其常用原材料為ABS-M30i、PC-ISO工程熱塑性塑料與MED系列剛性速成型光敏材料。HOLMES等[14]使用聚乳酸為材料，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作了心血管植入材料。

PLA是一種可降解的聚酯類高分子，具有良好的生物相容性[15]，可通過3D打印技術(shù)制作藥物緩釋載體、組織工程支架、骨折內(nèi)固定材料等生物材料長期植入人體。

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)用高分子材料的制備領(lǐng)域仍處于初始階段，現(xiàn)3D打印醫(yī)用生物材料的研究主要集中在原材料的選擇，主要包括材料的生物相容性、機(jī)械力學(xué)性質(zhì)及細(xì)胞在植入材料內(nèi)部的黏附生長和分化的機(jī)制，尤其是材料與細(xì)胞相互作用的機(jī)制，但使用3D打印技術(shù)制作具備抗感染能力的生物材料的相關(guān)報(bào)道較少。

2 3D打印制作生物材料的表面形貌與細(xì)菌黏附

大量體外研究證明生物材料的表面不同，黏附的細(xì)菌種類不同；同種材料采用不同方法制作而成的生物材料表面，同種細(xì)菌的附著量也不同[16-17]。這與材料表面形貌(如結(jié)構(gòu)域)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如表面粗糙度、平滑度)、疏水性及化學(xué)性質(zhì)相關(guān)，同時(shí)也與細(xì)菌種類的自身特性(如有無鞭毛、分泌聚合物的多少及種類) 相關(guān)[18]。當(dāng)生物材料植入人體后，細(xì)菌在生物材料上黏附并最終形成BF導(dǎo)致BCI是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，與細(xì)菌、宿主及生物材料三者之間的相互作用密切相關(guān)。

細(xì)菌在生物材料上的黏附是形成BCI的關(guān)鍵。有研究表明，植入生物材料的表面粗糙度是影響細(xì)菌黏附的重要因素[19]。掃描電鏡研究證實(shí)，生物材料表面不平整的地方,如裂溝、刻痕、摩擦較大的區(qū)域是病原微生物最先聚集的部位，屬于細(xì)菌黏附的優(yōu)勢部位，細(xì)菌黏附于這些部位后繁殖，最終形成BF。粗糙的表面可增加微生物的接觸面積，為細(xì)菌提供附著場所,并產(chǎn)生物理屏蔽效應(yīng)，微生物一旦接觸粗糙的表面可以滯留很長時(shí)間。細(xì)菌定植在粗糙的材料表面后，可在短時(shí)間內(nèi)形成細(xì)菌種類復(fù)雜、致病力強(qiáng)的細(xì)菌生物膜，導(dǎo)致反復(fù)感染及抗菌藥物耐藥。

目前臨床所使用的醫(yī)用生物材料大多都按照傳統(tǒng)的技術(shù)制造。傳統(tǒng)的生物材料制作技術(shù)，無論是機(jī)械加工或是用模鑄、鑄塑、HME等方法制造的生物材料表面，總會存在著具有較小間距和峰谷的微觀幾何形狀誤差，這種特性被稱為表面粗糙度。如HME雖然能以較低的成本制作大量生物材料，但制作過程容易產(chǎn)生流痕、熔接痕等造成材料表面粗糙度增大，HME制作的導(dǎo)管經(jīng)過檢測厚度差異可達(dá)(0.100±0.025)mm。傳統(tǒng)生物材料制作技術(shù)且對材料表面粗糙度控制較差，導(dǎo)致其產(chǎn)品表面存在不平滑區(qū)域，這些區(qū)域?yàn)椴≡脑缙陴じ教峁┝肆己玫奈稽c(diǎn)。

3D打印技術(shù)主要以ABS、工程塑料、PLA、光敏樹膠、合金材料等為基本材料，多采用SLA和FDM制作，其產(chǎn)品在CAD控制下可對生物材料的表面粗糙度及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制。3D打印技術(shù)的精細(xì)度決定了其成品表面的粗糙度與機(jī)械性能，目前3D打印技術(shù)在其CAD空間制作模型中x、y、z空間位點(diǎn)的精確度：z軸層厚達(dá)16 μm，平面方向即x、y方向的精度最低可達(dá)600 dpi，部分研究使用的3D打印機(jī)精度甚至可達(dá)到納米級別，且可根據(jù)植入部位不同而具體調(diào)整精度，高精度3D打印技術(shù)對生物材料表面粗糙度的控制遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)生物材料制作技術(shù)，能最大程度保證制作的生物材料測評表面的相對平滑，減少細(xì)菌黏附的發(fā)生。但CARLEN等[20]研究發(fā)現(xiàn)玻璃離子和復(fù)合樹脂制作材料經(jīng)拋光后表面極性發(fā)生改變,有利于蛋白結(jié)合和細(xì)菌黏附，對于不同材料而言，相對光滑的表面甚至可使細(xì)菌更易黏附。

GU等[21]使用3D打印技術(shù)制作的表面具有島狀突起排列形貌的生物材料，可通過減少細(xì)菌與生物材料表面接觸的面積來減少細(xì)菌黏附。PEREZ等[22]使用BCI常見菌種——表皮葡萄球菌RP62A、金黃色葡萄球菌ATCC25904與表面有間距400 nm、高度400 nm的島狀陣列突起的生物材料共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)與表面光滑的生物材料相比，具備表面島狀陣列突起的生物材料表面細(xì)菌黏附較少，不易形成BF。CHUNG等[23]研究證明BRENNAN團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的表面具有規(guī)律波浪狀排列嵴突的海洋防污水材料，可在長達(dá)21 d的時(shí)間內(nèi)抑制金黃色葡萄球菌BF的形成。若使用3D打印技術(shù)制作類似生物材料，可通過CAD設(shè)計(jì)使表面抗細(xì)菌黏附微圖案更加多樣，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，產(chǎn)品的精度與制作速度更具優(yōu)勢。臨床中病原菌大小不一，常見的植入感染致病菌——葡萄球菌大小約為0.8 μm，而目前市場主流可供醫(yī)用生物材料制作的3D打印機(jī)精度最高僅為16 μm，僅研究級使用的3D打印機(jī)可達(dá)到納米級別，目前使用3D打印技術(shù)制作表面間隙為納米級的小于臨床常見致病菌直徑以減少細(xì)菌與表面接觸面積的生物材料，需等待3D打印技術(shù)的進(jìn)一步提高。研究在使用3D打印技術(shù)制作的16與60 μm層厚生物材料分別與表皮葡萄球菌共培養(yǎng)后，兩種不同層厚的材料表面BF形成情況無明顯差異，但按照60 μm層厚制作的生物材料表面BF更不易被洗脫劑洗脫。

通過CAD設(shè)計(jì)并使用3D打印技術(shù)制造的表面具有一定微圖案的生物材料，不會改變其表面化學(xué)成分及組織相容性，相關(guān)研究證實(shí)在生物材料表面加入一些微圖案，能夠使生物材料獲得一定抗菌能力，同時(shí)增強(qiáng)生物材料的組織相容性，獲得理想的組織修復(fù)效果。DALBY等[24]使用聚苯乙烯制作表面存在規(guī)律納米級點(diǎn)陣狀突起的生物材料與表面光滑的材料表面相比，細(xì)菌的黏附、遷移和分化能力更強(qiáng)，周圍組織的愈合也優(yōu)于表面光滑的生物材料。研究證實(shí)與表面紋理雜亂的生物材料相比，表面紋理有序的材料組織相容性更佳，細(xì)菌更易黏附于其表面[10]。

3 3D打印制作攜帶抗菌成分的生物材料

在植入生物材料表面添加抗菌成分，可使得生物材料獲得一定抗菌能力，這是組織工程中常用的制作抗感染生物材料的方法之一。但使用傳統(tǒng)方法將抗菌成分添加至生物材料表面進(jìn)行抗菌改性與3D打印技術(shù)相比，主要存在以下方面的劣勢：(1)在制造過程中對加入的抗菌成分進(jìn)行精確空間分布的能力差；(2)難以避免抗菌物質(zhì)的活性在加工過程不受高溫、氧化、稀釋等作用的影響；(3)難以控制抗菌成分的釋放時(shí)間和釋放濃度，難以獲得穩(wěn)定的長期抗菌黏附效果。

PLA是一種可降解的聚酯類高分子，是3D打印所使用的原材料之一。由于其具有良好的生物相容性，降解產(chǎn)物無毒，降解速度可控，可攜帶抗菌成分，因此成為3D打印技術(shù)制作抗菌生物材料的理想載體。呋喃妥英(nitrofurantoin,NF)對革蘭陽性和陰性菌均有抑制能力，CERNOHORSKA等[25]研究表明NF對128株能形成BF的陽性葡萄球菌有殺滅作用，且NF熔點(diǎn)較高，能耐受200 ℃的高溫，加工過程中不易變性，是需要通過高溫塑形制造生物材料的理想抗菌成分。SANDLER等[26]按照5%的比例將NF添加入PLA中，使用3D打印技術(shù)制作成直徑為2.4 cm、厚3.0 mm的圓形薄片，同時(shí)采用傳統(tǒng)的HME制作同規(guī)格的薄片，并將NF鍍于薄片表面，分別與金黃色葡萄球菌ATCC2592共培養(yǎng)，檢測其表面生物膜形成情況。結(jié)果顯示3D打印制作的PLA-NF薄片表現(xiàn)出長效、穩(wěn)定的抗菌能力，而HME制作的薄片抗菌能力隨著共培養(yǎng)時(shí)間延長而迅速降低。

LEE等[27-28]將磷酸鈣、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、利福平、二甲基亞砜按照不同比例混合制成的微流體使用3D打印技術(shù)植于生物材料表面，形成間距100 nm、高度100 nm點(diǎn)狀陣列微圖案，分別與表皮葡萄球菌株NJ9709和小鼠成骨細(xì)胞MC3T3混合培養(yǎng)。結(jié)果提示通過3D打印制作的微流體在生物材料表面能夠達(dá)到長期的抗菌效果，同時(shí)對小鼠成骨細(xì)胞MC3T3的黏附影響不大。DONG等[29]使用高分子聚乳酸交酯、納米羥基磷灰石為抗結(jié)核藥物載體，使用3D打印技術(shù)制作骨修復(fù)材料，與采用傳統(tǒng)方式將抗結(jié)核藥物覆蓋于鈦合金材料表面的生物材料相比，3D打印技術(shù)制作的骨修復(fù)材料獲得了更為持久穩(wěn)定的抗菌效果。

將具備抗菌活性的成分添加到生物材料表面，無論采用傳統(tǒng)制作方法還是3D打印方法，由于新成分的添加必將改變材料表面的理化性質(zhì)，導(dǎo)致生物材料的組織相容性發(fā)生變化，3D打印技術(shù)制作的抗感染生物材料較傳統(tǒng)方法制作的生物材料雖然能獲得較好的抗菌效果，但因可用3D打印制作生物材料的原材料較少，其組織相容性未達(dá)到長期植入人體標(biāo)準(zhǔn)，使用3D打印技術(shù)直接制造而不經(jīng)過后期處理的成品尚不能直接作為長期植入材料使用，因此開發(fā)具備良好組織相容性的3D材料具有重要意義。

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)用高分子材料的制備領(lǐng)域仍處于初始階段，隨著3D打印技術(shù)精度的提高與3D打印材料的開發(fā)利用，3D打印技術(shù)必將成為主流的生物材料制作方法。使用3D打印技術(shù)制作抗感染生物材料的前景廣闊，可為臨床防治BCI提供新思路。