3D打印技術(shù)及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

劉宸希，康紅軍，吳金珠，曹寧寧，吳曉宏

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工與化學(xué)學(xué)院 新能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存關(guān)鍵材料技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

3D打印又稱增材制造(AM)，是一種以三維(3D)模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，制造具有多級(jí)結(jié)構(gòu)或復(fù)雜幾何形狀產(chǎn)品的技術(shù)[1]。作為一種快速發(fā)展且極具潛力的新型成型技術(shù)，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)、航天、汽車和食品領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用。例如，3D打印膝關(guān)節(jié)半月板、心臟瓣膜，嫦娥四號(hào)衛(wèi)星上搭載了多個(gè)3D打印鋁合金構(gòu)件，3D打印低速電動(dòng)車，3D打印糖果、巧克力、壽司等。此外，在文化遺產(chǎn)保護(hù)和修復(fù)領(lǐng)域，也有3D打印技術(shù)的身影。例如，英國梅得斯通博物館的研究人員利用3D打印技術(shù)重塑了2500年前木乃伊的臉部；來自哈佛大學(xué)和牛津大學(xué)的研究人員將3D打印技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)被ISIS組織摧毀的貝爾神廟等。

盡管3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍很廣，但是目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用較多。1993年，麻省理工學(xué)院(MIT)獲得基于噴墨打印原理的3D打印技術(shù)專利，此后MIT一直走在生物3D打印技術(shù)的前沿，領(lǐng)軍人物是Robert Langer教授。國外在此領(lǐng)域較為出色的研究人員還有蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Andre R.Studart教授，哈佛大學(xué)的Jennifer A.Lewis教授，加州大學(xué)洛杉磯分校的Ali Khademhosseini教授和康涅狄格大學(xué)的Savas Tasoglu教授等。

我國在生物3D打印領(lǐng)域的研究起步較晚，但是發(fā)展十分迅猛。目前以清華大學(xué)顏永年教授和劉冬生教授，西安交通大學(xué)盧秉桓院士，上海交通大學(xué)王成燾教授，浙江大學(xué)賀永教授和四川大學(xué)康裕建教授等為主要代表的科研團(tuán)隊(duì)，推動(dòng)了我國醫(yī)療領(lǐng)域3D打印技術(shù)的發(fā)展。本綜述主要介紹了3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的研究進(jìn)展，系統(tǒng)展示了可用于3D打印醫(yī)用材料以及3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。最后，我們總結(jié)了3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。

1 3D打印技術(shù)原理及分類

1986年，Charles Hull[2]在立體光刻工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)了3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)的核心原理是“分層制造，逐層疊加”，打印過程主要分為5個(gè)部分：一是設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(SolidWorks，AutoCAD和ZBrush等)設(shè)計(jì)數(shù)字3D打印對(duì)象；二是保存，將設(shè)計(jì)好的3D打印對(duì)象以3D打印機(jī)可讀文件格式保存，常見的通用文件格式有立體光刻(STL)文件和虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(VRML)；三是導(dǎo)入，將保存好的文件導(dǎo)入到3D打印機(jī)中；四是打印，針對(duì)原材料特性以及產(chǎn)品要求，選擇合適的絲材，設(shè)置打印溫度、速度和壓力等相關(guān)參數(shù)；五是后處理，打印結(jié)束后對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行處理。

作為快速成型技術(shù)，一臺(tái)3D打印機(jī)可以完成整個(gè)制造過程，工藝更為簡化。3D打印技術(shù)適于小批量、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)，傳統(tǒng)制造方式則專注于生產(chǎn)大規(guī)模、需要量產(chǎn)的部件，因此3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同推進(jìn)現(xiàn)代制造業(yè)向智能化、數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化制造轉(zhuǎn)型。近年來，3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)已形成包括擠出成型、材料燒結(jié)和材料黏合等多種類3D打印技術(shù)，如表1[3-11]所示。

表1 不同種類的3D打印技術(shù)[3-11]Table 1 3D printing technology based on different principles[3-11]

2 3D打印用醫(yī)用材料

雖然人體具有強(qiáng)大的再生能力，但是不同組織的再生能力并不相同。細(xì)胞的再生能力受到組織類型、生長激素和物理尺寸等因素的影響，一旦組織損傷超過其自修復(fù)限度，就需要外部支持來幫助其完成修復(fù)過程。一般將外界干涉支持組織再生的方法稱為組織工程(TE)[12]。構(gòu)建組織工程人工器官需要三個(gè)要素，即種子細(xì)胞、支架材料和細(xì)胞生長因子，而支架材料作為組織工程的三要素之一，需要具有良好的生物相容性和一定的機(jī)械強(qiáng)度，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)影響細(xì)胞活性和細(xì)胞增殖?；颊叩牟∏楦鳟?，需要根據(jù)具體情況定制不同結(jié)構(gòu)的支架，傳統(tǒng)的制造方法難以滿足這種個(gè)性化定制需求。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為患者帶來了福音，它可以提供個(gè)性化定制服務(wù)，制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的支架，并大幅提高支架的性能。用于3D打印的醫(yī)用材料需要具備良好的生物相容性、可控的降解速率以及形態(tài)學(xué)上與體內(nèi)組織相似等特性。根據(jù)材料的化學(xué)性質(zhì)，用于3D打印的醫(yī)用材料大致分為金屬、陶瓷和聚合物等。

2.1 金屬基生物材料

金屬基生物材料主要包括鈦(Ti)基金屬生物材料和鈷(Co)基金屬生物材料。Ti基金屬生物材料因具有優(yōu)異的生物相容性、抗疲勞性、耐腐蝕性和高比強(qiáng)度等特性，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[13]。

Ti基金屬生物材料作為承重植入物時(shí)需要與人體組織之間建立完美的結(jié)合。前期研究表明，隨著時(shí)間的推移，Ti基金屬生物材料可能被堅(jiān)硬的組織層包圍，限制其發(fā)揮作用；此外由于應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，使得傳統(tǒng)的Ti64植入物出現(xiàn)與人骨機(jī)械性能不匹配的狀況[14]。利用3D打印技術(shù)對(duì)Ti基金屬生物材料進(jìn)行表面改性不僅能夠改善其表面磨損性能，還能制造多孔和分級(jí)結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)骨整合。Zhao等[15]利用電子束熔融(electron beam melting，EBM)技術(shù)制備分級(jí)Ti-6Al-4V網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，獲得了具有低密度、高疲勞強(qiáng)度和可生物吸收等優(yōu)點(diǎn)的“硬-軟”梯度細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可優(yōu)化組織生長，并在特定區(qū)域承受不同程度的機(jī)械應(yīng)力，其性能均優(yōu)于均質(zhì)金屬細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

盡管3D打印鈦基金屬植入物是應(yīng)用最廣泛的植入物之一，但其楊氏模量與骨骼的楊氏模量不匹配所引起的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)是目前鈦基金屬材料存在的主要問題之一。未來，仍需探索更多的鈦基金屬材料處理策略，開發(fā)出生物相容性好和綜合性能較優(yōu)的新型醫(yī)用鈦基金屬材料，進(jìn)而有效地增強(qiáng)3D打印支架的骨整合能力。

鈷基金屬生物材料強(qiáng)度較高且耐磨，在醫(yī)療領(lǐng)域主要用于制備承重植入物、牙科植入物[16]以及整形外科重建手術(shù)中的輔助工具[17]等。Co基金屬生物材料的高剛度特性易引發(fā)應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，因而限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。為減少CoCr合金的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，Shah等[18]利用EBM技術(shù)制備了具有互連開孔結(jié)構(gòu)的CoCr植入物，并將其植入骨缺損的綿羊體內(nèi)。結(jié)果表明CoCr植入物的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在較高的骨細(xì)胞密度，證實(shí)了多孔CoCr構(gòu)建體中骨向內(nèi)生長的可能性。

對(duì)CoCr合金進(jìn)行表面改性處理可增強(qiáng)其耐腐蝕性能，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍。Wang等[19]利用激光拋光技術(shù)對(duì)3D打印CoCr合金支架進(jìn)行表面處理，處理后的CoCr合金組件耐腐蝕性得到顯著提高，可防止由其制備的牙科植入物在口腔中被腐蝕，進(jìn)而釋放毒性物質(zhì)[20]。這一探索對(duì)于制備在口腔修復(fù)學(xué)中應(yīng)用的牙科植入物提供了新思路。

目前，CoCr合金是應(yīng)用較多的鈷基金屬材料之一，其主要用于制備牙科植入物。在未來，需要探索利用不同的加工方法，或是在CoCr支架中摻雜其他物質(zhì)，來減少CoCr合金支架應(yīng)力屏蔽效應(yīng)的可能性，進(jìn)而促進(jìn)骨整合過程，拓寬其應(yīng)用范圍。此外，還需尋找更為適合的表面處理方法以避免CoCr合金被腐蝕后釋放有毒物質(zhì)，以防止其對(duì)人體造成傷害。

2.2 生物陶瓷材料

生物陶瓷材料在3D打印應(yīng)用中的歷史相對(duì)短一些，限制其應(yīng)用的主要原因在于生物陶瓷的加工比較困難。生物陶瓷材料一般用于制備牙齒和骨骼植入物，利用3D打印技術(shù)制造精度更高的生物陶瓷牙齒和骨骼植入物，可滿足患者對(duì)骨骼和牙齒更換的特殊需求。目前使用較多的生物陶瓷材料主要是磷酸鈣(CaP)和生物活性玻璃(BG)。

CaP陶瓷材料，包括偏磷酸鈣、正磷酸鈣和焦磷酸鈣[21]等。CaP與天然骨和牙齒的組成相似，具有優(yōu)異的生物相容性，是使用范圍較廣的生物陶瓷材料。Carrel等[22]通過3D打印技術(shù)制備了多孔塊狀磷酸三鈣和羥基磷灰石，將其填充到鈦半球中，植入綿羊體內(nèi)。取出后測(cè)試其中的新生骨量，數(shù)值是填充顆粒牛骨和顆粒磷酸三鈣的鈦半球的1.8倍。與現(xiàn)有骨替代物相比，在綿羊顱骨模型植入多孔塊狀磷酸三鈣和羥基磷灰石后可增強(qiáng)垂直骨生長，其受控的多孔結(jié)構(gòu)可促使骨床上生成更多的骨，表明這種支架可有效促進(jìn)骨合成過程。

此外，陶瓷基復(fù)合材料植入物引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。Jakus等[23]在羥基磷灰石中摻雜聚己內(nèi)酯(或聚乳酸)制得了一種新型生物材料——超彈性“骨”(HB)(圖1)。實(shí)驗(yàn)證明，3D打印的HB脊柱融合模型不會(huì)引起免疫反應(yīng)，可與周圍組織快速整合并支持新骨生長。HB克服了以往骨科植入物易引起免疫反應(yīng)或其他不良生物學(xué)反應(yīng)的缺陷，且在結(jié)合3D打印技術(shù)后植入體內(nèi)時(shí)能夠準(zhǔn)確定位，減少了手術(shù)操作時(shí)間。

圖1 3D打印HB脊柱融合模型和實(shí)物圖[23]Fig.1 3D printed HB spinal fusion model and products[23]

生物活性玻璃(BG)是一種以Na2O，CaO，SiO2和P2O5等為基本成分的硅酸鹽玻璃，因其具有更為優(yōu)越的力學(xué)性能，可有效地促進(jìn)體外和體內(nèi)成骨[24-26]。在臨床上，BG主要用于制備整形外科和頜面外科的假體，BG顆?？商娲鷤鹘y(tǒng)的骨移植來治療慢性骨髓炎、軟組織缺損[27]和傷口[28]等。Zhang等[29]以BG和鍶(Sr)為原料，利用3D打印技術(shù)制備了含Sr中孔生物活性玻璃(Sr-MBG)支架。Sr-MBG支架具有均勻的相互連接的孔、高孔隙率和良好的磷灰石形成能力，可刺激成骨細(xì)胞增殖分化。

對(duì)MBG支架進(jìn)行表面改性可進(jìn)一步增強(qiáng)其生物學(xué)性能。Zhang等[30]制備了含有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)和功能性表面涂層的MBG-β-TCP支架，具有高抗壓強(qiáng)度和優(yōu)異的磷灰石礦化能力。MBG-β-TCP支架可增強(qiáng)體內(nèi)新骨形成能力和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的附著，使得血管生成基因表達(dá)顯著增強(qiáng)。表明利用MBG納米層修飾的3D打印支架可有效改善支架的生物學(xué)性能，這是一種改善支架內(nèi)骨形成情況的新策略。

雖然BG具有良好的生物活性和骨傳導(dǎo)性，但是BG固有的脆性限制了其在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[31]。通過在BG材料中摻入其他可生物降解的聚合物來制備BG復(fù)合材料，可有效改善其性能，滿足更為廣闊的應(yīng)用需求。

2.3 天然聚合物

天然聚合物，例如，殼聚糖、聚乳酸和透明質(zhì)酸等，具有良好的生物相容性、生物降解性，應(yīng)用于生物體內(nèi)時(shí)可避免免疫原性反應(yīng)[32]，故被廣泛用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)中。

2.3.1 殼聚糖

殼聚糖是一種天然聚合物，具有良好的生物降解性、生物相容性和可再生性[33]。殼聚糖鏈上的氨基質(zhì)子化后具有可溶性，可溶性的殼聚糖應(yīng)用比較廣泛，例如，制備TE支架、生物傳感器和藥物輸送[34]等。

在以往的研究中，已經(jīng)證實(shí)炎癥反應(yīng)在組織修復(fù)中十分關(guān)鍵，惡性的炎癥反應(yīng)可能導(dǎo)致人體對(duì)植入物產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)。因此，在選擇植入物時(shí)，需要將可能的炎癥反應(yīng)考慮在內(nèi)。Almeida等[35]通過3D打印技術(shù)制造出一種殼聚糖支架，來探究人體單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞在支架上的炎癥反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示殼聚糖支架具有更大的孔隙結(jié)構(gòu)，可顯著地促進(jìn)促炎癥細(xì)胞因子的分泌，進(jìn)而抑制一些可能的炎癥反應(yīng)，表明在制造植入物支架時(shí)選擇具有適合的表面特性和幾何形狀的生物材料是至關(guān)重要的。

殼聚糖本身優(yōu)異的生物學(xué)性質(zhì)，使其不僅可用于制備植入物支架，還可作為抗菌劑對(duì)其他支架進(jìn)行表面改性處理以避免可能的炎癥反應(yīng)。Mania等[36]在聚乳酸中摻雜殼聚糖制得了可用于熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)工藝的3D打印抗菌長絲。通過與不含殼聚糖的支架進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，支架本身并不殺菌或抑菌，但是引入殼聚糖后，殼聚糖對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性均十分顯著。因此，利用殼聚糖對(duì)3D打印支架進(jìn)行表面改性將是一種有效的抑菌手段。基于殼聚糖良好的生物特性和優(yōu)異的抗菌性能[37]，其被植入人體后可避免可能的炎癥反應(yīng)，但殼聚糖支架的力學(xué)強(qiáng)度并不理想，因而需要探索殼聚糖與其他物質(zhì)復(fù)合制備組織工程支架的方法，以期滿足更多的醫(yī)療需求。

2.3.2 聚乳酸

聚乳酸(PLA)是一種天然聚合物，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、可降解性和生物相容性，廣泛應(yīng)用于組織工程、藥物輸送和傷口愈合[38]。PLA可通過酯鍵水解降解，無需酶催化，且降解產(chǎn)物乳酸是人體代謝循環(huán)中存在的物質(zhì)[39]，使得PLA成為3D生物打印領(lǐng)域極具潛力的原料之一。

通過控制PLA支架的結(jié)構(gòu)和可控孔隙形狀等相關(guān)參數(shù)可制備出符合性能要求的骨科植入物，圖2列舉了一些3D打印產(chǎn)品的微觀圖和實(shí)物圖。Fairag等[40]利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制造了具有不同孔徑的微孔PLA支架。使用原代人成骨細(xì)胞比較支架上細(xì)胞生長、活性和骨樣組織形成情況(圖2(a)),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，成骨細(xì)胞的增殖、代謝活性和骨基質(zhì)蛋白質(zhì)的產(chǎn)生情況均十分良好，表明PLA支架本身也能作為骨替代物來修復(fù)大段骨缺損。可定制PLA骨螺栓推入骨缺損處，從而允許骨髓干細(xì)胞滲透、黏附、增殖并形成新骨。

聚乳酸因具有優(yōu)異的可生物降解吸收性能而備受關(guān)注，但是其與細(xì)胞的親和性較低，是限制其在組織工程中應(yīng)用的主要因素之一。因此需要尋找合適的改性方法，改善聚乳酸材料表面的親水性，使其成為一種理想的組織工程材料。

2.3.3 透明質(zhì)酸

透明質(zhì)酸(HA)是一種廣泛存在于結(jié)締組織、上皮組織和神經(jīng)組織中的天然糖胺聚糖，因其具有天然黏彈性、生物降解性和生物相容性，被認(rèn)為是一種理想的骨組織工程支架材料[41]。

Lam等[42]以基于甲基丙烯酸化透明質(zhì)酸(HAMA)的生物墨水(bioink)為原料，利用立體光固化成型(stereo lithography appearance，SLA)技術(shù)制備了軟骨細(xì)胞密度不同的軟骨模型(圖2(b))。研究顯示軟骨分化模式受細(xì)胞密度的影響，高細(xì)胞密度可增強(qiáng)軟骨典型的帶狀分割，形成細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的軟骨細(xì)胞主要分布在表面區(qū)域，但在靠近載體膜的更深區(qū)域中也有少量分布。HAMA打印的體外軟骨模型，可用于關(guān)節(jié)軟骨缺損的治療。

透明質(zhì)酸也可作為一種輔助工具來幫助實(shí)現(xiàn)預(yù)期治療效果。例如，制備功能性生物鏈以響應(yīng)藥物治療過程。Mazzocchi等[43]將HA與膠原蛋白Ⅰ的復(fù)合產(chǎn)物用于打印含有原代人肝細(xì)胞和肝星狀細(xì)胞的3D肝組織構(gòu)建體，結(jié)果證明甲基丙烯酸化的Ⅰ型膠原和硫醇化HA可用于打印簡單的生物鏈，支持肝細(xì)胞的生長，使其能夠存活兩周并適當(dāng)?shù)仨憫?yīng)藥物治療，這一發(fā)現(xiàn)有望將其用于肝病的治療。

盡管在3D打印醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)HA的探索起步比較晚，但是HA相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展十分迅速。HA參與傷口自愈合過程的特性，賦予了相關(guān)支架潛在的抑菌能力。此外，通過交聯(lián)反應(yīng)，與其他物質(zhì)復(fù)合等可進(jìn)一步改善其性能，進(jìn)而拓寬其應(yīng)用范圍。

2.4 合成聚合物

3D打印的醫(yī)學(xué)支架最終將應(yīng)用于人體，因而生物相容性是一種材料是否適用于植入體的基本要求。此外，植入材料必須無細(xì)胞毒性、誘變性、致癌性，且不致引發(fā)過敏。目前可用于醫(yī)療領(lǐng)域的合成聚合物種類較少，主要集中于水凝膠、聚己內(nèi)酯和聚醚醚酮等具有生物相容性的合成聚合物。

2.4.1 聚己內(nèi)酯

聚己內(nèi)酯(PCL)是一種常見的聚合物，具有優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，由于酯鍵水解，PCL在人體體液中可緩慢降解，完全降解產(chǎn)物為二氧化碳和水[44]。此外，由于其優(yōu)異的加工性能，在3D打印領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

Kawai等[45]以PCL和磷酸三鈣為原料，利用3D打印技術(shù)制備了功能梯度支架(FGS)，所得FGS具有可控的孔隙率、生物降解性和一定的機(jī)械強(qiáng)度。將FGS植入到兔股骨頸和頭部鉆孔的骨隧道中，植入8周后取出，顯示FGS支架上新骨向內(nèi)生長，有含骨髓的骨形成，驗(yàn)證了FGS支架用于治療早期股骨頭壞死的可能性。

此外，科研人員對(duì)PCL復(fù)合材料高度關(guān)注。例如，Ho等[46]利用3D打印技術(shù)制備了孔結(jié)構(gòu)受控的Biodentine(BD，主要成分為硅酸鈣)/PCL復(fù)合支架，BD/PCL支架具有良好的磷灰石形成能力，并且能夠支持人牙髓細(xì)胞的增殖和分化，證明其是一種有潛力的牙科植入物。

PCL優(yōu)異的生物學(xué)性能、無毒的降解產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是仍存在一些缺陷。例如，PCL的熔點(diǎn)和分解溫度較低，一般的加工方法并不適用，而且PCL的強(qiáng)度較低，所制備的支架力學(xué)性能不足。因此，需要探索不同的改性方法來提高PCL材料的生物學(xué)性能，使其更好地滿足醫(yī)療需求。

2.4.2 水凝膠

水凝膠的高含水量和力學(xué)特征與天然細(xì)胞外基質(zhì)相似，因此水凝膠支架可用于模擬體內(nèi)細(xì)胞環(huán)境，幫助建立細(xì)胞間、細(xì)胞與胞外基質(zhì)間的聯(lián)系[47]。在基于擠出水凝膠的3D打印成型方法中，對(duì)材料黏度的要求比較嚴(yán)格。擠出時(shí)，材料需要較低的黏度以便擠出，而沉積時(shí)，材料的黏度要足夠高以防止材料在凝膠時(shí)分散，且在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，水凝膠的力學(xué)性能不能隨時(shí)間改變。現(xiàn)有的3D打印技術(shù)雖然可以通過調(diào)整材料來達(dá)到這些要求，但是這一過程往往是以犧牲細(xì)胞的活性為代價(jià)的[48]。鑒于此，學(xué)者們對(duì)水凝膠進(jìn)行了許多嘗試，以期打破現(xiàn)有局限。

Wang等[49]在透明質(zhì)酸水凝膠中添加了腙化物，制備了由動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)腙鍵組裝的透明質(zhì)酸水凝膠，這種水凝膠具有剪切稀化和自修復(fù)特性[50]，意味著它可以滿足3D打印不同階段對(duì)水凝膠黏度的要求，且在打印完成后可長時(shí)間定型。將細(xì)胞包封在水凝膠中后打印，結(jié)果顯示支架中細(xì)胞的存活率與打印前細(xì)胞的存活率相當(dāng)(圖2(c))，證明3D打印構(gòu)建體中細(xì)胞的活性與非打印構(gòu)建體中細(xì)胞的活性沒有差異，突破了以往3D打印水凝膠支架力學(xué)性能與細(xì)胞活性不能兼得的限制。在水凝膠中添加促進(jìn)細(xì)胞增殖分化的物質(zhì)，可制得功能性生物墨水，用于組織損傷修復(fù)過程。Faramarzi等[51]開發(fā)了一種基于海藻酸鹽的水凝膠，可與富含血小板的血漿(PRP)結(jié)合形成生物墨水，使用此生物墨水打印的支架可控制PRP相關(guān)生長因子的釋放以增強(qiáng)血管形成，并促進(jìn)干細(xì)胞遷移(圖2(d))，用于體內(nèi)受損組織的治療。

圖2 3D打印產(chǎn)品的微觀圖和實(shí)物圖(a)無細(xì)胞、成骨細(xì)胞和MSC-OST接種支架的SEM圖像[40]；(b)軟骨模型構(gòu)建過程[42]；(c)3D打印水凝膠支架在空氣和模擬體液(PBS)中的狀態(tài)[49]；(d)生物墨水打印的三種不同形狀支架實(shí)物圖[51]Fig.2 Microscopic and physical pictures of 3D printing products(a)SEM images of cell-free,osteoblasts and MSC-OST inoculated scaffolds[40];(b)cartilage model construction process [42];(c)state of 3D printed hydrogel scaffolds in air and simulated body fluids (PBS)[49];(d)photos of three scaffolds with different shapes printed by using bioink [51]

目前，有關(guān)水凝膠的研究主要是向水凝膠中摻雜生長因子和干細(xì)胞等以制成功能性生物墨水，用于構(gòu)建人體器官模型和修復(fù)組織缺陷。隨著對(duì)水凝膠制備方法及其在醫(yī)療領(lǐng)域探索的不斷深入，可對(duì)外界的物理、化學(xué)刺激做出快速反應(yīng)的智能水凝膠將是未來的發(fā)展趨勢(shì)。此外，還需探索水凝膠與其他材料復(fù)合的可能性，以進(jìn)一步滿足特定器官對(duì)于材料成分和結(jié)構(gòu)仿真方面的特殊要求。

2.4.3 聚醚醚酮

聚醚醚酮(PEEK)是一種有機(jī)熱塑性聚合物，具有良好的生物相容性、耐熱性、耐腐蝕性等，被稱為“21世紀(jì)最有前途的材料”。與基于金屬材料的植入物相比，PEEK的彈性模量和人骨的彈性模量更接近，能夠滿足人體正常的生理需要。

盡管PEEK具有與人體相適應(yīng)的特性，但是PEEK支架是表面化學(xué)惰性的，為了更好的治療效果常需要對(duì)其進(jìn)行表面處理。Oladapo等[52]利用3D打印技術(shù)制備基于PEEK、羥基磷灰石和氧化石墨烯(PEEK-HAP-GO)支架以調(diào)節(jié)支架內(nèi)部的孔隙率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示通過對(duì)支架內(nèi)部孔隙率的調(diào)整，可有效改善PEEK-HAP-GO支架與體內(nèi)原有骨的界面整合，提高PEEK植入物的表面生物活性。

目前，3D打印的PEEK相關(guān)產(chǎn)品已成功應(yīng)用于臨床，如椎間植入物、胸骨和血管外支架。在未來幾年中，其將對(duì)工程、醫(yī)療、牙科等領(lǐng)域產(chǎn)生更大的影響。

3 3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印作為一種快速興起的技術(shù)，在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：第一階段是制備患者特定解剖模型、解剖學(xué)操縱輔助工具[53]；第二階段是制備個(gè)性化的特異性植入物、在植入物上加載活性物質(zhì)(例如生長因子和藥物)[54]；第三階段是制造骨骼、軟骨、韌帶、半月板和其他結(jié)構(gòu)[55]；第四階段是組織組件與單獨(dú)打印的植入物組裝在一起發(fā)揮作用[56]。目前在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印技術(shù)主要用于制備骨科植入物、皮膚代用品、神經(jīng)修復(fù)、打印卵巢和藥物釋放等方面。

3.1 骨科

3D打印技術(shù)在骨科的臨床應(yīng)用上有很多成功案例。2018年，中國的醫(yī)生們已經(jīng)成功實(shí)施了首例3D打印肱骨近端假體手術(shù)，3D打印截骨工具輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，3D打印人工頸椎椎體植入術(shù)等手術(shù)，為多名患者帶來新的希望。本節(jié)將列舉一些未來有希望在臨床上進(jìn)行應(yīng)用的案例。

類固醇相關(guān)性骨壞死(SAON)是一種骨缺血性壞死，早期治療的主要方法是利用髓芯減壓術(shù)去除壞死骨以促進(jìn)修復(fù)，后續(xù)用骨移植來填充骨缺損以避免隨后的關(guān)節(jié)塌陷。Lai等[57]開發(fā)了一種聚(乳酸-乙醇酸)/β-磷酸鈣/淫羊藿苷(PTI)支架，PTI支架具有優(yōu)異的生物降解性、生物相容性和成骨能力，可以提供機(jī)械支撐，改善血管生成和調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化過程，這種新型的PTI復(fù)合支架為SAON患者帶來了福音。

椎間融合器是實(shí)現(xiàn)脊柱相鄰椎間隙融合的主要植入物之一，其安全性和有效性直接影響相鄰椎體骨融合的效果。Li等[58]以骨骼成熟的綿羊頸椎為融合模型，通過3D打印技術(shù)制造了多孔鈦合金支架，在成熟綿羊上進(jìn)行了骨融合實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示3D打印鈦合金支架的剛度高于PEEK支架，與利用傳統(tǒng)工藝制作的鈦合金支架相比，應(yīng)力屏蔽效應(yīng)明顯降低。取出后，3D打印的鈦合金支架內(nèi)部形成了連續(xù)的、緊密相連的骨組織，證明3D打印鈦?zhàn)甸g融合器具有良好的生物相容性，可促進(jìn)骨向構(gòu)建體內(nèi)部生長。

目前，3D打印技術(shù)在骨科方面的應(yīng)用主要集中在骨科支架制備上。未來，3D打印的骨科支架性能將會(huì)得到進(jìn)一步提升，更多的功能性骨科支架將被開發(fā)。

3.2 皮膚

皮膚是身體對(duì)外部環(huán)境的屏障，對(duì)生物體的生存意義重大[59]。皮膚替代品作為促進(jìn)傷口愈合的重要工具，長期以來被廣泛用于患者傷口的治療[60]。利用傳統(tǒng)方法制造的皮膚替代品存在許多問題，例如，仿生學(xué)性能不足、生產(chǎn)成本高、尺寸單一、制備耗時(shí)長等[61]。因而人們急需一種可以實(shí)現(xiàn)低成本、標(biāo)準(zhǔn)化制造皮膚替代品的技術(shù)，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了可行的方案。

典型的組織工程皮膚構(gòu)建體缺乏皮膚的復(fù)雜特征。例如，皮膚色素沉著、毛囊甚至汗腺[62]。Ng等[63]利用來自正常人皮膚組織的三種不同的原代皮膚細(xì)胞：角質(zhì)形成細(xì)胞(KCs)、黑素細(xì)胞(MCs)和成纖維細(xì)胞(FBs)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究了制造具有均勻皮膚色素沉著的3D體外著色人體皮膚構(gòu)建體的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在3D生物打印的人皮膚構(gòu)建體中存在發(fā)育良好的角質(zhì)形成細(xì)胞。這是黑色素轉(zhuǎn)移過程中必需的細(xì)胞，而且根據(jù)對(duì)色素的追蹤，發(fā)現(xiàn)其可在構(gòu)建體上均勻分布。

3D打印皮膚構(gòu)建體為皮膚缺陷或皮膚損傷患者的治療提供了一種有效的解決方案，且3D體外有色人體皮膚構(gòu)建體，可用于潛在的毒理學(xué)測(cè)試和基礎(chǔ)細(xì)胞生物學(xué)研究。隨著研究的深入，3D打印皮膚構(gòu)建體或許可以在更多的方面幫助患者。

3.3 外周神經(jīng)修復(fù)

神經(jīng)導(dǎo)管可以連接兩個(gè)神經(jīng)末梢，引導(dǎo)軸突再生，為施萬細(xì)胞的聚集和增殖提供營養(yǎng)環(huán)境[64]。想要制造具有優(yōu)良性能的神經(jīng)導(dǎo)管需要考慮兩個(gè)問題：一是原料選擇，二是表面改性和支架制造。制備的神經(jīng)導(dǎo)管應(yīng)滿足以下要求，一是可連接缺損的神經(jīng)，二是可為軸突再生提供穩(wěn)定的環(huán)境保障，三是在成功將受損神經(jīng)連接后，神經(jīng)導(dǎo)管可有效降解，為神經(jīng)進(jìn)一步生長提供空間。

功能性神經(jīng)修復(fù)支架可在給予神經(jīng)恢復(fù)空間的同時(shí)，釋放相關(guān)的藥物以加速修復(fù)過程。Tao等[65]制備了含藥物的3D打印水凝膠導(dǎo)管，不僅為軸突伸長提供物理微環(huán)境，還可促進(jìn)神經(jīng)再生。這種功能性支架可有效促進(jìn)坐骨神經(jīng)損傷的形態(tài)學(xué)、組織病理學(xué)和體內(nèi)功能的恢復(fù)，這是一種有前景的自體移植物，未來有望在臨床中得到廣泛應(yīng)用。

目前3D打印技術(shù)在神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域上的應(yīng)用相對(duì)較少，但這是一個(gè)前景十分廣闊的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)治療手段治標(biāo)不治本的弊端，通過細(xì)胞不斷增殖促進(jìn)神經(jīng)突觸再生，有望恢復(fù)受損神經(jīng)的功能。

3.4 3D打印卵巢

卵巢位于女性盆腔內(nèi)，主要功能是產(chǎn)生和排出卵細(xì)胞，分泌性激素，以促進(jìn)女性性征發(fā)育并維持其正?；顒?dòng)。若卵巢出現(xiàn)問題，會(huì)導(dǎo)致女性不孕，并且影響患者的健康。

Laronda等[66]以水凝膠為原料，利用3D打印技術(shù)制得了具有不同幾何形狀孔隙的微孔水凝膠支架，分別探究了支架對(duì)卵巢卵泡細(xì)胞的支持情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著支架內(nèi)相互作用的增多，卵泡細(xì)胞擴(kuò)散受限并且存活率增加，支架變得高度血管化。另外，在沒有使用外源性血管生成因子情況下，生物假體卵巢在植入1周后即變得血管化。隨后研究人員將其植入卵巢缺陷的小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其卵巢功能完全恢復(fù)，且通過自然交配生產(chǎn)了幼崽。

3D打印女性卵巢旨在幫助成年婦女恢復(fù)產(chǎn)生雌性激素和生育的能力，3D打印卵巢目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，要想將其真正的應(yīng)用于人體，還需解決血管分布等相關(guān)問題。

3.5 藥物釋放

3D打印片劑能夠?qū)崿F(xiàn)藥物的可控釋放，患者可根據(jù)身體狀況，靈活改變藥物攝入量。而且在狹窄治療指數(shù)藥物使用上，3D打印技術(shù)提供了一種制造包含精確劑量藥物片劑的方法，可降低劑量變化和用藥錯(cuò)誤帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

目前可直接以藥物為原料進(jìn)行3D打印，可避免因載體不穩(wěn)定性和不定載藥量對(duì)治療效果產(chǎn)生的影響。Kadry等[67]以羥丙基甲基纖維素和地爾硫卓(模型藥物)為原料制得了3D打印機(jī)用長絲，隨后打印得到的片劑以口服形式向大鼠給藥，通過跟蹤藥物，準(zhǔn)確繪制了藥物釋放曲線。

Pere等[68]利用3D打印技術(shù)制備了用于透皮輸送胰島素的聚合物微針貼片，該微針貼片以木糖醇作為載體來保持胰島素的完整性和穩(wěn)定性，并加快其釋放速率。跟蹤研究結(jié)果，無論如何設(shè)計(jì)微針，胰島素均可在30 min內(nèi)迅速釋放且未被破壞，證明3D打印技術(shù)可用于制造具有生物相容性的微針貼片。

3D打印的微針貼片與傳統(tǒng)注射胰島素方式相比，可減輕患者痛苦，便于攜帶，并且胰島素的釋放速率可控?；颊呖舍槍?duì)當(dāng)天身體狀況，靈活改變胰島素?cái)z入量。此外，透皮微針是直接將藥物釋放到皮下脂肪中，避免了口服給藥過程可能引起的副作用，可應(yīng)用到激素類藥物輸送中，以避免由此引發(fā)的肥胖問題。未來3D打印透皮微針貼片或許可在更多的疾病治療上幫助患者。

3D打印技術(shù)也可用于制備口腔崩解片劑(ODT)，ODT在與唾液或口腔中的少量水接觸后即可實(shí)現(xiàn)藥物吸收，增強(qiáng)人體對(duì)藥物的吸收度。Li等[69]利用3D打印技術(shù)在較低溫度、無溶劑的情況下制備了速釋葛根素片(圖3)，通過對(duì)打印片劑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對(duì)藥物溶解速率的控制，且采用水溶性載體聚乙二醇來增強(qiáng)藥物溶解性?？朔藗鹘y(tǒng)方法制備葛根素片溶解性差，生物利用度低的缺陷。

圖3 3D打印技術(shù)制備速釋葛根素片的過程[69]Fig.3 Process flow of rapid release puerarin tablets prepared by 3D printing technology[69]

3D打印的口腔崩解片劑，可以調(diào)節(jié)其內(nèi)部空隙大小，個(gè)性化給藥，減少患者痛苦。同時(shí)也可以解決在部分特殊情況下無法獲得足夠飲用水服藥的問題。未來，會(huì)有更多的藥物應(yīng)用到3D打印口腔崩解片劑中。

4 未來發(fā)展趨勢(shì)

近年來，3D打印技術(shù)已成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)一些需要植入物移植的疾病防治起到了關(guān)鍵性的作用，私人化定制的特點(diǎn)使得其能夠更貼近患者的需求，為人體組織與植入物之間建立良好紐帶提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)的植入物制造工藝，3D打印技術(shù)具有諸如速度更快、成本更低、生物相容性更好和炎癥反應(yīng)更小等顯著優(yōu)勢(shì)。盡管3D打印的出現(xiàn)極大地改變了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及其他行業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀，但是3D打印仍然存在一些問題。

3D成型植入物是靜態(tài)的、無生命的。故將植入物移植到體內(nèi)，其并不能隨著內(nèi)環(huán)境的變化而進(jìn)行相關(guān)的適應(yīng)性調(diào)整，因而無法達(dá)到理想的治療效果；3D打印的細(xì)胞相關(guān)產(chǎn)品不能根據(jù)外界刺激進(jìn)行相應(yīng)分化，且常規(guī)3D打印過程會(huì)對(duì)細(xì)胞活性產(chǎn)生一定影響。盡管目前也有相關(guān)研究顯示在水凝膠中添加腙化物可以不影響其中包封的細(xì)胞活性，但是目前這種探索僅進(jìn)行了體外實(shí)驗(yàn)。

綜合3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀可知，限制3D打印技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要因素是3D打印材料。目前使用的固態(tài)醫(yī)用材料主要來源于對(duì)金屬基材料、水凝膠、磷酸鈣等已有材料的復(fù)合改性。這些傳統(tǒng)固態(tài)材料3D打印產(chǎn)品的特點(diǎn)是一次成型，幾乎不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境變化而改變。液態(tài)材料生物墨水是一種自定義材料，可根據(jù)產(chǎn)品需要添加相關(guān)的生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)等以滿足細(xì)胞增殖分化所需。然而人體內(nèi)的環(huán)境較為復(fù)雜，許多反應(yīng)機(jī)制尚不明確，現(xiàn)有的生物墨水雖然能夠打印出組織、器官，但并不能用于人體移植，仍需更多的探索和嘗試。

基于此，4D打印技術(shù)應(yīng)勢(shì)而生。最初，4D打印被認(rèn)為是“3D打印+時(shí)間”，隨著研究的不斷深入，4D打印的定義逐步完善，目前普遍認(rèn)可的理論是：當(dāng)3D打印結(jié)構(gòu)受到預(yù)定刺激時(shí)，它的屬性和功能會(huì)隨時(shí)間變化。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常見的刺激是溫度、水和磁場(chǎng)。利用可根據(jù)外界刺激進(jìn)行調(diào)整的生物打印材料，4D打印可以制造出具有“活性”且結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的，與天然組織結(jié)構(gòu)非常相似的工程化組織結(jié)構(gòu)。

4D打印技術(shù)在繼承了3D打印技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有3D打印的一些缺陷。例如，4D打印的血管內(nèi)腔涂層內(nèi)皮細(xì)胞膜可以減少血栓形成，防止血管堵塞；4D打印藥物輸送系統(tǒng)可根據(jù)內(nèi)環(huán)境的pH值和溫度變化改變藥物封裝和釋放過程；4D打印的智能響應(yīng)水凝膠可根據(jù)響應(yīng)性動(dòng)態(tài)重新配置結(jié)構(gòu)且對(duì)細(xì)胞活性沒有影響。在未來，4D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用，解決組織工程和藥物遞送等領(lǐng)域的難題。