3D打印生物組織工程支架的應(yīng)用研究

劉曉飛 張堃 張寧

摘? 要：3D生物打印組織工程領(lǐng)域具有巨大的潛力，三維立體光刻技術(shù)因其精度高、細(xì)胞可植入等特點(diǎn)尤其適用于生物支架的制備，文章分析了軟組織工程支架的關(guān)鍵性能，介紹了三維立體光刻技術(shù)在軟組織工程中的應(yīng)用。

關(guān)健詞：3D打印;組織工程;工程支架;機(jī)械性能

中圖分類號：TP391? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0187-02

Abstract： 3D printing of biological tissue engineeringhas great potential in the field of tissue engineering. Three-dimensional lithography is especially suitable for the preparation of biological scaffolds because of its high precision and cell implantability. The key performance of soft tissue engineering scaffold is analyzed in this paper. The application of three-dimensional lithography in soft tissue engineering is introduced.

Keywords： 3D printing; tissue engineering; engineering scaffold; mechanical properties

前言

由于人類每年面臨的肌肉骨骼、心血管和結(jié)締組織損傷和替換的數(shù)量，軟組織支架引起了人們極大的興趣。由于不同類型的軟組織在大小、形狀和強(qiáng)度上的差異，準(zhǔn)確地替換或修復(fù)這些組織是具有挑戰(zhàn)性的。隨著立體光刻等先進(jìn)加工技術(shù)的發(fā)展，支架分辨率控制到毫米級是可以實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還可以定制每個(gè)預(yù)制支架以匹配目標(biāo)替換組織。將先進(jìn)的制造技術(shù)與聚合物性能相匹配，并保持適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)、生物和機(jī)械性能來進(jìn)行組織置換，是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作[1-2]。

三維（3D）打印是一種制造技術(shù)，允許對構(gòu)建的腳手架的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行精確控制。在微/納米尺度上控制特征尺寸的能力是可以實(shí)現(xiàn)的，并且取決于3D打印技術(shù)。立體光刻（SLA）是一種常見的3D打印工藝，與其他增材制造技術(shù)相比，它可以更好地控制組織支架的尺寸和特性。精確控制體系結(jié)構(gòu)的能力所制備的支架無論是構(gòu)建可重復(fù)的同種支架還是制備特定于患者的模板，對再生醫(yī)學(xué)都有很大的益處。

1 軟組織工程支架的關(guān)鍵性能

1.1 細(xì)胞毒性

為了潛在地替換或修復(fù)健康的活體組織，合成或天然支架必須提供細(xì)胞粘附和增殖所需的仿生結(jié)合位點(diǎn)。在設(shè)計(jì)組織工程支架時(shí)，細(xì)胞在支架中的放置和分布對于實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)墓δ芎头只陵P(guān)重要。這種功能與細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用以及缺乏活躍血管系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散。支架不得含有任何導(dǎo)致細(xì)胞壞死或凋亡的細(xì)胞毒性元素。常見的細(xì)胞毒性來源包括構(gòu)建支架的大分子、光聚合所用的引發(fā)劑、聚合物合成中的有機(jī)溶劑殘留和聚合物降解產(chǎn)物。越來越多的自由基損傷細(xì)胞被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致更高的細(xì)胞毒性。優(yōu)化SLA中使用的光引發(fā)劑是提高生物相容性的關(guān)鍵，SLA制備聚合物支架的循環(huán)發(fā)現(xiàn)方法。營養(yǎng)物質(zhì)通過支架對細(xì)胞的正常生長很重要。缺乏營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散，或細(xì)胞無法遷移，會(huì)阻礙細(xì)胞增殖，從而降低支架加速組織生長的潛力有效修復(fù)和再生。在設(shè)計(jì)新的大分子和支架、細(xì)胞外基質(zhì)相互作用的因素以及營養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散的影響時(shí)，必須考慮到所有這些因素。

1.2 支架降解

降解機(jī)理和降解速率是設(shè)計(jì)新型組織工程支架的重要化學(xué)性質(zhì)。組織工程支架一般分為永久性和可生物降解兩大類。這兩種類型的支架具有不同的用途，需要不同的化學(xué)和生物特性。永久性腳手架不得降解并且需要保持和復(fù)制與它所替代的軟組織相關(guān)的物理特性。植入式永久支架是在組織損傷無法修復(fù)的極端情況下使用的?？刂平到馑俾屎徒到忸愋蛯τ跒樘囟☉?yīng)用設(shè)計(jì)支架非常重要。體積侵蝕和表面侵蝕是支架降解。在表面侵蝕過程中，支架從外到內(nèi)逐漸退化，逐漸收縮。

1.2.1 水解可分解鍵

水占人體的70%左右，促使組織工程支架中水解可切割連接的廣泛應(yīng)用。在設(shè)計(jì)生物可降解組織工程支架的高分子材料時(shí)，必須考慮到使支架具有水解敏感性所需的化學(xué)成分。合成聚合物中最常見的水解敏感功能是酯鍵。酯具有共同的有機(jī)功能，經(jīng)過水解產(chǎn)生羧酸和醇的離子。如果酯在聚合物主鏈中，發(fā)生鏈斷裂，由此產(chǎn)生的小分子被排出體外。酯通常在SLA聚合物的端官能化時(shí)形成。丙烯?；磻?yīng)含醇的氯代或甲基丙烯酰氯分別由丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯生產(chǎn)，其中含有酯官能。

交聯(lián)丙烯酸支架的水解。甲基丙烯酸酯的降解速度往往比丙烯酸酯慢，程度也比丙烯酸酯小。主鏈上的超疏水甲基使甲基丙烯酸酯聚合物的親水性降低，并且在嘗試水解酯時(shí)引入空間限制。聚合物組成、交聯(lián)密度、結(jié)晶度和支架添加劑均影響支架的降解速率。用于軟組織工程應(yīng)用的聚合物需要具有彈性和柔性，因此不考慮半結(jié)晶聚合物?；旌线@些聚酯隨著其他更靈活的聚合物導(dǎo)致降解率的改變和材料的力學(xué)性能更適合軟組織支架。

1.2.2 酶解鍵聚酯的快速隨機(jī)鏈水解

由于低PH值導(dǎo)致局部組織酸性，從而對細(xì)胞生長產(chǎn)生負(fù)面影響并導(dǎo)致力學(xué)性能受損。在聚合物網(wǎng)絡(luò)中加入酶可分解的鍵不僅可以實(shí)現(xiàn)支架的可控降解，而且還可以作為細(xì)胞粘附和遷移的生物活性部分。許多用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的材料從聚合物主鏈或側(cè)鏈水解降解。側(cè)基化學(xué)、結(jié)晶度、親水性等，調(diào)整聚合物的水解降解能力。

通過在聚合物主鏈中引入酶可切割的連接，組織再生和重塑過程模擬了自然細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞外基質(zhì)降解，導(dǎo)致細(xì)胞遷移和侵襲，以及由此重塑的組織。在自然組織中，細(xì)胞外基質(zhì)蛋白水解酶降解導(dǎo)致細(xì)胞遷移，對細(xì)胞分泌的酶作出反應(yīng)。膜結(jié)合蛋白酶，如基質(zhì)金屬蛋白酶（mmps），有助于細(xì)胞外基質(zhì)重塑的自然過程，并且在生物材料中通過加入含有這些蛋白酶可切割序列的天然蛋白質(zhì)，如膠原蛋白或纖維蛋白，進(jìn)行理想的重建[3-5]。

1.3 機(jī)械性能

為了復(fù)制體內(nèi)組織特性，特別是生物力學(xué)功能，理想的組織工程支架應(yīng)該復(fù)制本地組織的力學(xué)特性。當(dāng)選擇一種聚合物來復(fù)制一個(gè)目標(biāo)組織時(shí)，本體力學(xué)特性作為起點(diǎn)幾乎沒有價(jià)值。低聚物的性質(zhì)隨著分子量的變化而急劇變化。這使得支架剛度的理想調(diào)節(jié)能夠與目標(biāo)組織相匹配。逐層組裝和控制腳手架的微觀結(jié)構(gòu)也提供了通過建筑設(shè)計(jì)調(diào)整腳手架機(jī)械性能的更多控制?？刂平Y(jié)構(gòu)物機(jī)械性能的其他方法包括樹脂添加劑、超分子相互作用和交聯(lián)密度。3D打印合成和天然聚合物機(jī)械特性，顯示了未來在組織再生中的應(yīng)用前景。

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

增材制造能夠制造新的和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，通常不能使用標(biāo)準(zhǔn)加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)。材料擠出3D打印技術(shù)，如熔融沉積建模（FDM）、噴嘴沉積直接打印、熔融繪圖或成型，由于高熱躍遷，與金屬或熱塑性塑料（如半結(jié)晶聚酯）一起使用。擠壓和成型添加劑制造工藝通常按需以刀具路徑方式沉積熔融樣品。顆粒印刷技術(shù)，如選擇性激光燒結(jié)（SLS）使用聚合物粉末構(gòu)建支架。這些技術(shù)分別燒結(jié)特定的層來構(gòu)建三維支架。另一種常用的腳手架增材制造技術(shù)是光聚合，如SLA。與材料擠出和SLS相比，使用數(shù)字掩模投影設(shè)備（DMD）一次制造整個(gè)層的能力在打印速度上提供了優(yōu)勢?？傊圃鞎r(shí)間取決于印刷件的尺寸、所需的整體特征分辨率、高度層厚度和照片聚合物固化動(dòng)力學(xué)。來自掩模投影SLA的光一次固化一層，與分別在材料擠壓或SLS/SLA中固化一層的噴嘴或激光光柵形成對比。

當(dāng)瞄準(zhǔn)軟組織支架時(shí)，因?yàn)镾LA在可打印材料中更為通用，可見光SLA能夠在細(xì)胞存在的情況下制造支架，提供更均勻分散的細(xì)胞支架結(jié)構(gòu)，并消除制造后種子植入。SLA制造使用光源精確控制聚合物支架的微尺度（DMD掩模投影）和納米尺度（雙光子聚合或先進(jìn)的光刻技術(shù)）。結(jié)構(gòu)的逐層組裝是使用一個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)的，該階段移動(dòng)所需厚度的距離以允許新的層到光固化。共層高度在SLA范圍從25mm-200mm。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件通常用于打印光控制結(jié)構(gòu)和尺寸。設(shè)計(jì)對象的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)文件或3D對象被分割成不同的層。這些層用于引導(dǎo)光源固化聚合物。這項(xiàng)技術(shù)允許個(gè)性化醫(yī)療，因?yàn)閷颊呓M織成像可以生成與被替換組織幾乎相同的三維復(fù)制品。光源和成像光學(xué)控制支架（外形尺寸和單個(gè)特征）的最終尺寸、分辨率和精確度。最小特征分辨率范圍為5mm-300mm。通常用于SLA的光源包括廣譜紫外線（UV）燈、單色激光和可見光。光源決定了光的發(fā)射波長，SLA光源（紫外光和激光）會(huì)影響細(xì)胞并引入突變，損傷細(xì)胞。可見光SLA技術(shù)消除了紫外線的有害影響，并允許細(xì)胞分散在聚合物樹脂中制造支架。SLA設(shè)置通常使用自下而上或自上而下的方法來設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

結(jié)合化學(xué)、材料科學(xué)和生物技術(shù)是開發(fā)可生物降解軟組織工程支架的關(guān)鍵。合成或天然聚合物本身并不能表現(xiàn)出最佳支架所必需的所有性能。測試新聚合物并結(jié)合聚合物系統(tǒng)性已經(jīng)研究的有助于開發(fā)新的和改進(jìn)的生物降解組織工程支架。這些聚合物還必須保持降解的能力，并且必須保持必要的機(jī)械性能，以便在加工后替換目標(biāo)組織。使用SLA在天然聚合物上構(gòu)建支架的工作受到限制。因此，將合成的、可調(diào)的聚合物力學(xué)性能與天然聚合物的生物學(xué)性能相結(jié)合，創(chuàng)造出一種功能性組織工程支架是將來研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]KON E， ROFFI A， FILARDO G， GIUSEPPE FILARDO，GIULIA TESEI，MAURILIO MARCACCI. Scaffold-based cartilage treatments： with or without cells？ a systematic review of preclinical and clinical evidence [J]. Arthroscopy the Journal of Arthroscopic & Related Surgery， 2015，31（4）：767-775.

[2]伍權(quán)，張祥林，吳斌，等.基于擠出沉積成形技術(shù)的多孔生物支架制備[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（12）：33-36.

[3]高慶東，祝旭龍，向俊西，等.基于組織工程研究的可降解支架材料選擇策略[J].生物工程學(xué)報(bào)，2016，32（2）：172-184.

[4]DUMANL1 A G. Nanocellulose and its composites for biomedical applications [J]. Current Medicinal Chemistry， 2017，24（5）：512-528.

[5]唐愛民，趙姍，宋建康.基于納米纖維素的三維組織工程支架多孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控與表征[J].材料研究學(xué)報(bào)，2014，28（10）：721-729.

[6]伍權(quán)，張祥林，吳斌，等.基于擠出沉積成形技術(shù)的多孔生物支架制備[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（12）：33-36.