頜面骨再生領(lǐng)域3D打印技術(shù)及應(yīng)用材料的研究進(jìn)展

張心馳 吳煒

1.空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 西安 710032；2.軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，口腔疾病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心，陜西省口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，空軍軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院頜面外科 西安 710032

3D打印又被稱為快速增材制造，是一種在計(jì)算機(jī)輔助下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物三維堆積成型，完成修復(fù)體或組織工程支架個(gè)性化設(shè)計(jì)制造的技術(shù)。3D打印可以應(yīng)用于顱面部硬組織缺損部位修復(fù)體的制作。隨著再生醫(yī)學(xué)及組織工程的發(fā)展，缺損修復(fù)的目標(biāo)已不再停留在修復(fù)體代替行使功能的層面，而是希望通過誘導(dǎo)自體組織再生，促進(jìn)缺損的修復(fù)，這使得以生物材料為原料的3D打印技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。本文結(jié)合近年來國內(nèi)外有關(guān)應(yīng)用3D打印技術(shù)修復(fù)頜面部骨缺損的研究進(jìn)行綜述，闡述多種用于制備修復(fù)體和組織工程支架的材料的性能及當(dāng)前3D打印方法的應(yīng)用優(yōu)勢，對3D打印的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種快速立體成型技術(shù)，可依靠目標(biāo)產(chǎn)物的三維模型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）數(shù)據(jù)直接制造實(shí)體模型。該技術(shù)具有個(gè)性化高、節(jié)約成本、精度高等優(yōu)點(diǎn)，近幾年被廣泛應(yīng)用于臨床人體硬組織缺損的修復(fù)[1]。

外傷、腫瘤、感染及遺傳因素造成的顱頜面畸形產(chǎn)生的顱頜面骨骼缺損當(dāng)前仍然是臨床亟待解決的修復(fù)問題，目前主要采用自體移植、異體移植、人工合成替代物修補(bǔ)等方法治療[2]。顱頜面部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，修復(fù)過程操作難度大，因此在設(shè)計(jì)頜面部缺損患者的治療方案時(shí)，可先進(jìn)行頜面部錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描（cone beam computed tomography，CBCT）檢查，模擬進(jìn)行頜面部重建和修補(bǔ)，再采用3D打印方法對修補(bǔ)材料和缺損模型進(jìn)行成型備用，用于制定治療計(jì)劃、術(shù)前模擬和治療[3]。

3D生物打印是利用3D打印技術(shù)將不同類型的生物材料（合金、生物活性陶瓷、合成高分子材料、天然高分子等）按預(yù)先設(shè)計(jì)的三維結(jié)構(gòu)逐層打印，最終形成具有生物活性的組織與器官，以減少自體移植二次創(chuàng)傷和移植體供體受限帶來的問題，提供更優(yōu)的治療效果。同時(shí)，生物組織工程支架的設(shè)計(jì)及成型也需要3D打印技術(shù)的配合和發(fā)展[4]。

2 3D打印增材材料

2.1 金屬材料

2.1.1 鈦（Ti）及鈦合金 鈦和鈦合金因其無毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好，同時(shí)具有優(yōu)良的生物相容性，成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的理想醫(yī)用金屬材料。由于頜骨解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，個(gè)體差異大，依靠傳統(tǒng)工藝制備個(gè)性化的鈦網(wǎng)、鈦釘以及人工假體非常困難，但是利用3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)頜骨缺損修復(fù)體的個(gè)性化設(shè)計(jì)、制作，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于頜面部、牙體修復(fù)及虛擬外科手術(shù)[4]。有研究者[5]采用3D打印個(gè)性化鈦網(wǎng)并通過結(jié)合游離皮瓣的方法，修復(fù)12例復(fù)雜上頜缺損，所有病例均修復(fù)成功且外形良好。Chanchareonsook等[6]將通過3D打印制作的Ti-6Al-4V鈦合金材料植入獼猴的下頜骨缺損模型，也取得較好修復(fù)效果。

2.1.2 鎂（Mg） 鎂及含鎂離子（Mg2+）鹽類作為可吸收材料，應(yīng)用也極為廣泛。鎂是人體必需元素之一，在體內(nèi)以Mg2+的形式存在。鎂作為支架材料，可以被周圍肌體組織吸收或通過體液排出體外，實(shí)現(xiàn)材料的降解。有研究[7]證實(shí)，Mg2+具有多種重要的生物學(xué)活性（如激活體內(nèi)多種代謝酶，從而穩(wěn)定遺傳物質(zhì)的傳遞以及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)），同時(shí)是成骨的重要成分之一，影響著成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的活性以及骨質(zhì)強(qiáng)度。王亮等[8]先將細(xì)胞浸入多孔鎂合金支架材料浸提液培養(yǎng)，再將負(fù)載細(xì)胞的材料植入動(dòng)物下頜骨缺損模型缺損區(qū)，評估其對動(dòng)物血清及尿液Mg2+濃度、血細(xì)胞數(shù)目和重要臟器等的影響。分析結(jié)果顯示，多孔鎂合金材料無細(xì)胞毒性和遺傳毒性，不產(chǎn)生溶血現(xiàn)象，在與細(xì)胞復(fù)合后具有良好的生物相容性。

2.1.3 其他金屬 近幾年隨著對鉭（Ta）和鈮（Nb）研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)這2種貴金屬具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，且無毒性反應(yīng)，可以依賴3D打印技術(shù)制備出利于細(xì)胞攀附、生長的多孔隙形狀，有望替代鈦及鈦合金。阮建明等[9]利用鉭鈮合金新型材料，有望制備出新型的口腔醫(yī)用多孔修復(fù)體，有助于創(chuàng)口血管化以及軟組織的附著再生。

2.2 高分子材料

醫(yī)用高分子材料通常具有熱塑性、遇冷迅速固化、生物相容性好以及術(shù)后影像學(xué)檢查方便等特點(diǎn)，可與各種材料（金屬、陶瓷、纖維等）復(fù)合以提高材料性能。聚乳酸（polylactic aci，PLA）、聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）、聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）等是臨床上目前常用的高分子3D打印材料。

2.2.1 PLA PLA是一種可降解、可塑性強(qiáng)且生物相容性良好的移植用高分子材料。以PLA為基質(zhì)，復(fù)合羥磷灰石（hydroxyapatite，HA）制備的生物相容性復(fù)合物研究較為成熟。

日本學(xué)者[10]通過將HA/聚左旋乳酸[poly(L-lactic acid)，PLLA]復(fù)合膜應(yīng)用于大鼠顱骨缺損模型，證明該高分子復(fù)合材料具有明顯的促成骨效果。在此基礎(chǔ)上，張海峰等[11]以骨髓基質(zhì)細(xì)胞為種子細(xì)胞，體外培養(yǎng)于用3D打印熔融沉積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)制造的PLA-HA材料組織工程支架上，復(fù)合自體血管束及骨膜，在體內(nèi)能構(gòu)建出功能相對完善的組織工程骨，臨床上可用于顱面部骨缺損的再生誘導(dǎo)和環(huán)境支持。PLA除充當(dāng)組織工程支架材料外，還可以復(fù)合其他有機(jī)物薄膜形式應(yīng)用于材料表面以增強(qiáng)其緩釋性。

2.2.2 PCL PCL是一種形狀維持力強(qiáng)且降解速度緩慢的人工合成高分子材料。臨床研究表明，PCL具有良好的引導(dǎo)骨再生作用，且不良反應(yīng)及吸收風(fēng)險(xiǎn)明顯低于自體骨移植的結(jié)果，因此在近幾年廣泛投入臨床應(yīng)用。由于其彈性模量與人體骨骼相近，修復(fù)后顱骨的應(yīng)力完整，同時(shí)X線透過性能好，方便檢測術(shù)后的恢復(fù)情況。通過對臨床上3D打印PCL材料進(jìn)行顱骨修補(bǔ)的臨床資料、手術(shù)操作方法、安全性及治療結(jié)果進(jìn)行分析可以獲知，3D打印的PCL植入物吻合精度高，可以很好地恢復(fù)患者的容貌，同時(shí)術(shù)后感染發(fā)生率明顯降低[12]，對大面積顱骨缺損患者來說是很好的選擇。

向聲燚等[13]研制的溶體微分3D打印機(jī)可以將PCL和HA顆粒作為直接原料，制備PCL/納米羥磷灰石復(fù)合材料（nano-HA）；力學(xué)強(qiáng)度分析結(jié)果顯示，隨著nano-HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，該復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)nano-HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，可具有最大拉伸強(qiáng)度（23.3 MPa）與彎曲強(qiáng)度（21.4 MPa），具備臨床應(yīng)用的潛力。

2.2.3 PEEK 作為一種高強(qiáng)度的工程熱塑性塑料，即使在高溫條件下，PEEK也具有良好的化學(xué)和機(jī)械性能。PEEK還具有很高的生物相容性和生物穩(wěn)定性，長期浸潤于體液環(huán)境中仍可保持其物理和化學(xué)特性[14]。PEEK的彈性模量與皮質(zhì)骨的彈性模量相似，可以減少材料植入后產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋，同時(shí)由于這種材料非常輕，即使在缺損較大的區(qū)域，也可以被設(shè)計(jì)用來精確恢復(fù)解剖結(jié)構(gòu)[15]。人體皮質(zhì)骨的彈性模量為17～20 GPa，松質(zhì)骨的彈性模量為3.2～7.8 GPa，膠原纖維的彈性模量為1.24 GPa。PEEK彈性模量為（3.86±0.72）GPa，彎曲強(qiáng)度為（156±12）GPa；在與碳纖維混合后，其彈性模量可增強(qiáng)到18 GPa，接近骨皮質(zhì)的彈性模量。有學(xué)者[16]通過壓鑄得到鈦/PEEK復(fù)合材料，然后酸蝕鈦絲制備多孔PEEK，得到利于骨細(xì)胞生長及體液傳播的多孔支架；測得該復(fù)合材料的彈性模量為3.0～5.5 GPa，高于人體骨骼彈性模量范圍的最低值，因此可選作硬組織植入材料。

PEEK已成為近年來外科醫(yī)生青睞的顱骨植入材料，甚至成為鈦的替代品。穆蒼山等[17]在27例顱骨缺損修復(fù)手術(shù)中使用了依賴3D打印技術(shù)制造的PEEK顱骨缺損的修復(fù)體，經(jīng)術(shù)前、術(shù)后的CT重建結(jié)果對比，療效確切，27例患者對缺損修補(bǔ)結(jié)果滿意。Scolozzi[18]以單側(cè)顱頜面缺損患者的健側(cè)為修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，使用PEEK材料通過3D打印技術(shù)制作健側(cè)的面部對稱性修復(fù)假體，分別完成了1例顱骨單側(cè)缺損及1例單側(cè)下頜骨缺損的修復(fù)，無論是在骨組織修補(bǔ)重建的外形還是功能上，都有良好的術(shù)后效果。

2.2.4 光敏樹脂 光敏樹脂通常具有流動(dòng)性好、溶脹程度小、毒性小和生物相容性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但因其在固化過程中會(huì)產(chǎn)生收縮，會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)品翹曲變形，從而影響精度。材料主要由預(yù)聚物、反應(yīng)性稀釋劑、光引發(fā)劑及助劑與填料所構(gòu)成。預(yù)聚體作為光敏樹脂的主要組分，很大程度上決定了打印產(chǎn)品的力學(xué)性能[19]。常見的預(yù)聚體有環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、不飽和聚酯和聚酯丙烯酸酯，可根據(jù)患者病情及經(jīng)濟(jì)情況選擇價(jià)格、固化速度、強(qiáng)度、黏度和收縮率等方面最優(yōu)的原材料。在頜面外科領(lǐng)域，光敏樹脂多用于制造術(shù)前模型以及個(gè)性化修復(fù)體設(shè)計(jì)[20]。3D打印技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了光敏材料的精度，也進(jìn)一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減輕了修復(fù)體的重量。

2.3 陶瓷材料

生物陶瓷材料要求具有良好的美觀性、生物相容性、內(nèi)部三維孔隙結(jié)構(gòu)、化學(xué)穩(wěn)定性和可降解性，應(yīng)用3D打印中的激光燒結(jié)方法將粘接劑與陶瓷粉末充分黏合，可提高制作精度和材料利用率。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和原位生長相結(jié)合的方式使陶瓷支架具有有序大孔結(jié)構(gòu)，有利于組織細(xì)胞的貼附生長，并且表面原位存在微米/納米磷酸鈣晶體，使細(xì)胞的聚集攀附更為緊密，也顯著增強(qiáng)支架的力學(xué)強(qiáng)度。骨組織工程中常用的3D打印生物陶瓷大致可分為鈣磷灰石和生物活性玻璃兩類。

2.3.1 鈣磷灰石 臨床常用的鈣磷灰石有HA及β-磷酸三鈣。作為人體骨骼的組成成分之一，HA具有極高的生物相容性，具有良好的骨再生能力。Ciocca等[21]切除豬下頜髁突作為骨缺損模型，結(jié)合CAD/計(jì)算機(jī)輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）及3D打印技術(shù)，以HA為材料，制作出完全符合原始形態(tài)的下頜髁突假體植入缺損部位，取得了良好的修復(fù)效果和骨再生成果。為了增強(qiáng)無機(jī)磷灰石材料生物降解性和機(jī)械強(qiáng)度，研究者往往采用將鈣磷灰石與高分子材料復(fù)合的方法綜合生物學(xué)和力學(xué)性能。Smeets等[22]運(yùn)用選擇性激光熔融（selective laser melting，SLM）技術(shù)將聚丙交酯/β-磷酸三鈣材料制作成多孔徑支架，用于修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)大小頜骨及顱骨缺損的大鼠模型，實(shí)驗(yàn)組大鼠在30 d后進(jìn)行組織切片分析成骨效果評價(jià)，成骨表現(xiàn)優(yōu)于自體骨修復(fù)的對照組。Li等[23]將納米HA與聚酰胺復(fù)合從而提高機(jī)械強(qiáng)度，運(yùn)用FDM技術(shù)，制備個(gè)性化修復(fù)體，應(yīng)用于對髁突切除術(shù)后面部外形不良的患者，恢復(fù)面部外觀和穩(wěn)定的顳下頜關(guān)節(jié)功能。

2.3.2 生物活性玻璃 生物活性玻璃是一種主要成分為硅酸鹽與磷酸鹽所構(gòu)成的人工復(fù)合物，在人體內(nèi)與骨組織接觸表面可形成一層磷灰石，具有優(yōu)良的骨傳導(dǎo)反應(yīng)。臨床上常用的生物活性玻璃主要是無機(jī)鹽與堿金屬或氧化物的復(fù)合物45S5，結(jié)構(gòu)為SiO2-Na2O-CaO-P2O5四元系統(tǒng)[24]。通過3D打印技術(shù)，在CAD/CAM技術(shù)的輔助下可對生物活性玻璃的外形、大小、精度進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)具有可控孔隙結(jié)構(gòu)的納米生物活性玻璃制造，具有卓越的力學(xué)性能、生物活性和載藥性。王晶晶等[25]在恒河猴的牙槽骨缺損模型中植入納米生物活性玻璃，觀察骨缺損的修復(fù)再生情況，確認(rèn)其在體內(nèi)具有良好的成骨性能，且與傳統(tǒng)生物活性玻璃材料相比，在具有良好力學(xué)強(qiáng)度起到支撐作用的同時(shí)，還具備良好的降解性，降低了異體組織的潛在免疫危險(xiǎn)因素。

2.4 生物墨水

現(xiàn)階段，無機(jī)及金屬材料廣泛應(yīng)用于臨床軟硬組織缺損，取得了明顯成效，但是異體組織終究達(dá)不到自體移植所擁有的生物親和水平，排斥反應(yīng)的存在依然是臨床亟待解決的問題。因此，直接打印出具備生物活性的細(xì)胞、組織、器官是3D打印技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。在生物3D打印出含細(xì)胞組織工程支架的過程中，選用合適的生物打印墨水是一大難題?；趥鹘y(tǒng)水凝膠的生物墨水存在擠出困難、可打印性差、力學(xué)強(qiáng)度不足、細(xì)胞長期活性難以維持等缺點(diǎn)，研制一種打印性能良好、形狀穩(wěn)定、不易塌陷、具良好生物相容性的3D打印生物墨水，是生物3D打印領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。

Lee等[26]通過快速改變pH值的方法，使膠原蛋白在精確控制下得以凝固，然后將膠原蛋白在凝膠模具中逐層融積，將凝膠融化后得到膠原蛋白支架，用于血管修復(fù)。

細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）則是更理想的生物墨水。ECM是細(xì)胞分泌到細(xì)胞外間質(zhì)中的大分子物質(zhì)，具備復(fù)雜的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，支持并連接各個(gè)組織，調(diào)節(jié)組織的發(fā)生和細(xì)胞的生理活動(dòng)[27]。采用脫細(xì)胞技術(shù)，將體外培養(yǎng)所得ECM中可能引起機(jī)體免疫排斥或炎癥的反應(yīng)原移除，得到脫細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)（acellular extracellular matrix，AECM）。由于人體每一處組織都有其特定的ECM環(huán)境包圍，人工合成出擬態(tài)的AECM 可能具備超出任何組織工程技術(shù)在組織缺損修補(bǔ)領(lǐng)域所表現(xiàn)的引導(dǎo)再生能力，也會(huì)表現(xiàn)出更高的生物相容性，同時(shí)其自身所存在的網(wǎng)架具有促細(xì)胞增殖與黏附效果。Kang等[28]運(yùn)用人關(guān)節(jié)軟骨AECM構(gòu)建3D支架，這種支架可以很好地支持間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附與增殖，為軟骨及結(jié)締組織的再生提供了機(jī)械支持。對于AECM強(qiáng)度低這一弊端，目前采用的主要解決方法包括：1）改善AECM支架制備技術(shù)，如采用基于數(shù)字光處理的快速3D生物打印和冷凍干燥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對打印物體形態(tài)的精準(zhǔn)靈活設(shè)計(jì)以及對精確結(jié)構(gòu)的精確控制，從而增加了它的韌性和剛度[29-30]；2）改變支架材料的構(gòu)成以提高其機(jī)械性能，比如將AECM與糖胺聚糖、絲素蛋白等天然高分子聚合物或者聚己內(nèi)酯、聚乙烯醇、聚乳酸-羥基乙酸共聚物等非天然高分子聚合物復(fù)合，這些復(fù)合物同樣具有良好的生物相容性和良好的機(jī)械性能，可彌補(bǔ)AECM支架機(jī)械性能不足的缺陷[31]。

3 不同類型3D打印技術(shù)在頜面部骨修復(fù)中的應(yīng)用

目前3D打印的技術(shù)類型主要有以下類型。

3.1 FDM技術(shù)

FDM的原理是將熱塑性材料燒融后在計(jì)算機(jī)輔助下層層堆積成型，是目前最為廣泛使用的打印技術(shù)。熱塑性原料通常由成型材料和支撐材料兩部分組成。成型材料對黏度、粘接性、收縮率均有較高要求，常見有高分子復(fù)合物、人造橡膠、石蠟等[32]。支撐材料則大多選用可在目標(biāo)產(chǎn)品成型后易被剝離的物質(zhì)，在成型過程中提供機(jī)械承載力。

有學(xué)者采用氯化鈉顆?；旌系姆椒ㄖ苽錈崴苄栽?，由鹽顆粒短暫發(fā)揮支架作用，賦予一定機(jī)械強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)形態(tài)的成型，之后洗去鹽顆粒得到具有微小孔隙的立體多孔植入體，并同時(shí)兼具高分子復(fù)合材料的良好彈性、降解性和生物相容性。Yang等[33]將具有良好生物相容性及熱固性的聚葵二酸甘油酯與具有高剛度、可降解性及熱塑性的PCL混合制成生物油墨，與鹽粒混合后采用FDM技術(shù)制備出具備規(guī)則縱橫交錯(cuò)的細(xì)絲和相互連接微孔堆疊結(jié)構(gòu)的生物支架材料，微細(xì)結(jié)構(gòu)的改變使這種復(fù)合材料具備良好的彈性、柔韌性、疲勞耐久性和抗腐蝕性。FDM技術(shù)具備成本低、制造方便等優(yōu)點(diǎn)，但是支撐材料常常難以去除而損失產(chǎn)品精度。

3.2 光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）技術(shù)

SLA是指在計(jì)算機(jī)輔助下控制紫外線對液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行逐層軌跡的點(diǎn)狀掃描，通過產(chǎn)生光聚合反應(yīng)使原料固化成型，是應(yīng)用時(shí)間最久、研究最深入的3D增材技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是成型快速、方便，可以在不直接接觸材料的情況下實(shí)現(xiàn)三維立體模型的制備。

鄒運(yùn)等[34]采用SLA技術(shù)制備了右下頜支假體，并對相關(guān)部位的原始數(shù)據(jù)及模型數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、計(jì)算、分析，認(rèn)為SLA-3D打印模型CT的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)高度一致，其在骨科及頜面外科疾病診療過程中的應(yīng)用準(zhǔn)確、可靠。

綜合以上優(yōu)點(diǎn)，臨床上可將人工骨材料HA與光敏樹脂相融合，采用SLA技術(shù)制造含生物活性的骨組織工程支架，并通過加熱使樹脂成分氣化后得到多孔隙修復(fù)體，可促進(jìn)血凝塊以及成纖維細(xì)胞和生長因子的募集及附著，為組織再生提供良好的三維環(huán)境。該技術(shù)的不足之處是產(chǎn)品精度難以提高，作為組織工程支架的重要孔隙等精細(xì)結(jié)構(gòu)難以成型，阻礙了更深度應(yīng)用。

3.3 選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）技術(shù)

SLS技術(shù)是利用二氧化碳激光器對金屬或無機(jī)物粉末進(jìn)行激光燒結(jié)、層層固定的技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是原料由粉末堆積構(gòu)成、逐層成型，不需要額外的支撐材料，可以更真實(shí)地呈現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品。激光控制精度高，特別適合于制備用于修復(fù)、引導(dǎo)再生的精細(xì)多孔狀結(jié)構(gòu)仿生支架。選擇該技術(shù)的先決條件是原料必須能以粉末狀接受加工。

丁冉等[35]采用SLS制作的多孔鈦合金支架具有良好的骨結(jié)合與骨傳導(dǎo)性，表現(xiàn)出良好的體外生物相容性，有利于骨缺損的修復(fù)。曾浩等[36]利用SLS制作多孔的雙相磷酸鈣骨組織工程支架，將小鼠胚胎細(xì)胞接種在支架上，檢測細(xì)胞活力并進(jìn)行染色觀察。結(jié)果顯示SLS制作的雙相磷酸鈣支架具有多孔結(jié)構(gòu)以及良好的生物相容性，可作為骨組織工程支架的備選材料。眾多材料學(xué)研究為SLS技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)用模型、下頜骨骨缺損修復(fù)體制作奠定了理論基礎(chǔ)。采用SLS技術(shù)成型的多孔金屬支架，可以設(shè)計(jì)成與人體骨骼結(jié)構(gòu)相似的組織工程支架，為個(gè)體化人工骨仿生制造技術(shù)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.4 噴墨打印技術(shù)

噴墨打印技術(shù)是一種通過同時(shí)打印活體細(xì)胞和生物材料來構(gòu)建一個(gè)含有不同組織的三維生物支架，甚至活體器官的打印技術(shù)。為保證所使用細(xì)胞的活性及功能，研究人員多使用水凝膠類生物材料起到裝載和承擔(dān)外部支架的作用。水凝膠是水溶性高分子聚合物，具有優(yōu)良的生物相容性，可以構(gòu)建承擔(dān)載體作用的組織支架，或是加工形成可控釋放型藥物的載體[37-38]，常見成分為海藻酸鹽、膠原蛋白、透明質(zhì)酸等。

Li等[39]所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)的雙噴頭3D打印機(jī)（細(xì)胞組裝儀）可在材料制造過程中同時(shí)將水凝膠基質(zhì)材料與2種細(xì)胞相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水凝膠與細(xì)胞的復(fù)合。Tappa等[40]將體外培養(yǎng)的人牙髓干細(xì)胞懸濁液與海藻酸鈉-明膠水溶液混合制備共混物，利用噴墨打印技術(shù)制備組織工程三維支架結(jié)構(gòu)，并證明人牙髓干細(xì)胞可耐受生物打印過程，奠定了3D生物打印技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于牙體組織的基礎(chǔ)。李俊達(dá)等[41]將富血小板血漿覆蓋于3D打印的PCL支架上，研究對牙髓細(xì)胞的生物學(xué)影響，結(jié)果顯示覆蓋富血小板血漿的3D打印PCL支架比單純的支架更有利于牙髓細(xì)胞的黏附、增殖和成骨分化。

在技術(shù)精細(xì)度方面，噴墨嘴所噴出的生物墨水的液體大小可以精確到單細(xì)胞水平[42]，在20～100 μm的高分辨率下可以直接對細(xì)胞的立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種精準(zhǔn)設(shè)計(jì)開始在骨、軟骨、軟組織修復(fù)再生領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。研究人員在免疫缺陷小鼠模型上進(jìn)行3D打印人工皮膚移植，所使用的活性雙層皮膚組織包含人血漿、角化細(xì)胞和纖維細(xì)胞，對這種人工皮膚進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)其與人皮膚結(jié)構(gòu)組織更加接近，免疫排斥性也更低[43]。Kolesky等[44]將人間充質(zhì)干細(xì)胞和新生兒皮膚纖維細(xì)胞混合制成多細(xì)胞生物墨水產(chǎn)物，與事先設(shè)計(jì)好的微通道整合，打印出超過1 cm 厚的人造血管，將其動(dòng)態(tài)培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)該組織可促進(jìn)人間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。

三維粉末粘接、分層實(shí)體制造和無模鑄型制造等其他3D增材技術(shù)都各具優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)患者病情選擇性能良好、價(jià)格合理、最適合患者的技術(shù)個(gè)體化制備修復(fù)體或醫(yī)用模型。

組織工程學(xué)、影像學(xué)、材料學(xué)的飛速發(fā)展推動(dòng)了3D打印技術(shù)的更新和優(yōu)化，促使快速增材技術(shù)的臨床應(yīng)用越來越廣泛。未來將通過技術(shù)革新，最大程度保留原材料的優(yōu)良性質(zhì)，在制備過程中除去不利因素，讓多種材料的理化性質(zhì)相互結(jié)合、相互支持并配合增強(qiáng)其生物性能。除了用于制造硬組織的修復(fù)體和醫(yī)用模型以外，現(xiàn)階段3D打印技術(shù)還被應(yīng)用于軟骨、血管、皮瓣等領(lǐng)域[4]。在組織工程支架的研究方面，3D打印技術(shù)因其精確性高、個(gè)體化以及成型速度快等優(yōu)點(diǎn)而具有著廣泛的應(yīng)用前景。

4 展望

3D 打印技術(shù)的應(yīng)用為口腔醫(yī)學(xué)帶來了高精度、低成本的口腔數(shù)據(jù)及產(chǎn)品。隨著社會(huì)的進(jìn)步、人民生活水平的提高，精準(zhǔn)化、個(gè)性化的微創(chuàng)治療成為了人們的基本追求，也是醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展方向。使用3D打印技術(shù)可制備更親和、更高效、更安全的組織“假體”，用于支撐、促進(jìn)修復(fù)和減少二次手術(shù)傷害；可制備醫(yī)用模型，輔助醫(yī)務(wù)人員診斷、設(shè)計(jì)、演練治療過程，以提高治療效果和精準(zhǔn)度。

目前，口腔頜面外科領(lǐng)域的3D打印操作流程需要建立相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而規(guī)范打印的精度和安全性；對于生物材料的安全性、機(jī)械性能以及打印技術(shù)的研發(fā)都需要進(jìn)一步深入，目標(biāo)是做到依據(jù)病情實(shí)現(xiàn)床旁實(shí)時(shí)加工和修飾。在材料學(xué)方面，開發(fā)微/納米生物打印材料，使用與原生骨更接近的力學(xué)材料也是提高臨床修復(fù)效果的迫切要求。隨著干細(xì)胞技術(shù)以及分子生物學(xué)的快速發(fā)展，常用的金屬、高分子以及無機(jī)材料的應(yīng)用將會(huì)逐漸優(yōu)化或是替換。因此3D打印材料與生物組織、生長因子相互復(fù)合，利用彼此的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)臨床效果最大化也是短期發(fā)展的方向之一。

隨著3D打印技術(shù)的推進(jìn)，研究人員已經(jīng)開始研究成形物在時(shí)間、空間、功能等方面的延伸，也就是所謂的4D打印。采用形狀記憶聚合物、合金、仿生材料作為3D打印工藝原料制備出4D產(chǎn)品，通過影響植入物環(huán)境的溫度、濕度等理化因素可實(shí)現(xiàn)植入體形狀及功能的改變。大多數(shù)生物組織具有復(fù)雜的形狀并且時(shí)刻進(jìn)行著組織構(gòu)象的變化，比如心臟搏動(dòng)、肺的收縮、血管的伸縮等，材料的臨時(shí)形狀可以在體內(nèi)自行改變并固定，展現(xiàn)了極大的臨床應(yīng)用前景。除骨骼等硬組織外，4D打印技術(shù)制備的目標(biāo)產(chǎn)物的形狀可在外力不直接接觸的情況下自行變化，有望在器官打印中發(fā)揮重要作用[45]。