三維打印多孔種植材料促進骨結(jié)合的研究進展*

王琬萌 李 鶯

隨著全球和我國老齡化社會的加速到來，老年甚至是高齡(75 歲以上)患者中種植修復(fù)的比例呈現(xiàn)逐年增高的趨勢。而由于老年人群常常伴有功能性依賴、多重疾病和虛弱等問題，因此，對于種植修復(fù)的成功提出了新的挑戰(zhàn)[1]。影響種植成功率的主要因素之一是種植體的初期穩(wěn)定性。而隨著三維打印技術(shù)的發(fā)展及其在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多[2]，研究發(fā)現(xiàn)，三維打印材料能夠促進種植體骨結(jié)合進而增強種植體穩(wěn)定性，其不僅能滿足患者的個性化需求，且選材多樣，包括金屬、陶瓷、聚合材料和復(fù)合材料等[3]。

三維打印是快速成型技術(shù)的一種，又稱為增材制造，與傳統(tǒng)的制造方法相比，三維打印技術(shù)不僅能加快制造過程，并且更加靈活、經(jīng)濟[4]。盡管如此，三維打印植入物的臨床應(yīng)用仍存在許多難題待解決。臨床上，種植成功的關(guān)鍵是種植體能與周圍骨組織達到良好的骨結(jié)合，而如何改善骨結(jié)合過程以及如何長期保持種植體與骨骼的良好結(jié)合仍是目前相關(guān)研究的主要問題。而種植材料的力學(xué)和生物特性對種植體骨結(jié)合的速度有決定性的影響。因此，急需通過改善種植材料的力學(xué)和生物性能有效提高和維持骨-種植體結(jié)合強度進而加快實現(xiàn)三維打印多孔材料種植體在種植臨床的應(yīng)用。目前，三維打印多孔種植體選材多樣，形態(tài)復(fù)雜，對骨結(jié)合的促進作用受到多種因素影響，具體如下。

1.三維打印多孔種植材料的選擇

1.1 金屬材料 理想的三維打印種植體應(yīng)當(dāng)具備良好的生物相容性，植入后無異物排斥反應(yīng)，能與牙槽骨形成緊密結(jié)合。自上世紀50 年代Branemark證實金屬鈦可與骨組織之間緊密結(jié)合以來，鈦和鈦合金材料因其良好的機械性能和穩(wěn)定的生物性能成為目前臨床應(yīng)用最廣泛的種植體材料[5]?；诖?，鄧威等[6]通過3D 打印技術(shù)制造了不同孔隙率的多孔鈦合金試件，并將三維打印多孔鈦合金植入兔股骨，Micro-CT 及組織學(xué)觀察顯示,植入物表面及內(nèi)部有大量新骨長入，證實多孔鈦材料能夠促進骨再生與新骨形成。除了鈦，鉭作為一種新型骨小梁金屬也受到越來越多的關(guān)注。Fraser 等[7]通過動物實驗表明多孔鉭無細胞毒性且能加速骨整合作用，是良好的三維打印多孔材料。此外，與鈦合金相比，3D 打印多孔鉭在促進新骨形成和骨重建方面具備更出色的生物性能，更能促進骨髓間充質(zhì)干細胞(hBMSCs)活力和成骨基因表達水平[8]。目前，鉭因其無毒副作用和良好的骨傳導(dǎo)性能已在臨床應(yīng)用近80 年。然而，目前商品化的多孔鉭價格昂貴且制造對技術(shù)要求很高，極大限制了鉭的臨床應(yīng)用。

1.2 非金屬材料 除了金屬材料，生物陶瓷類三維打印多孔材料在修復(fù)骨缺損的應(yīng)用中也顯示出巨大潛力。金屬材料與骨組織之間多為機械嵌合，而生物陶瓷類三維打印多孔材料與骨組織之間通過化學(xué)鍵結(jié)合，通過調(diào)控種植體周圍成骨微環(huán)境，促進間充質(zhì)干細胞的分化進而促進骨結(jié)合[9]。臨床常用氧化鋁及氧化鋯基陶瓷屬于生物惰性陶瓷，具有高抗彎強度，低彈性模量以及極高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，且具有很好的生物相容性，用作植體時，能夠減少摩擦、降低磨損,因此常用于制造牙根、骨、關(guān)節(jié)等[10]。此外，生物活性陶瓷，如生物玻璃及可降解的硅酸鹽類陶瓷等，能夠與體內(nèi)組織間形成牢固的化學(xué)鍵，顯示出良好的成骨能力[11]。近年來，聚乳酸(PLA)、聚已酸內(nèi)酯(PCL)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚醚醚酮(PEEK)等合成聚合物的仿生應(yīng)用在骨修復(fù)方面實現(xiàn)重大飛躍并展現(xiàn)出優(yōu)異的仿生性與生物相容性。其中，PLA、PCL、PLGA 因其良好的生物相容性和可降解性廣泛用于骨再生，而基于PEEK 的復(fù)合材料在顱面部植入手術(shù)中已普遍運用[12]。PEEK 聚合物不僅能運用于顏面及顱骨重建，在口腔種植應(yīng)用中也被寄予厚望。例如DENTIN，Nobel Biocare，SisoMM 等公司設(shè)計了PEEK 基臺或種植體來替代傳統(tǒng)的金屬和陶瓷植入物[13]。通過模擬骨組織微環(huán)境或是合成含類骨成分的PEEK 復(fù)合材料，合成聚合物能引導(dǎo)骨細胞在材料表面的排列而促進細胞遷移和生長，進而為骨結(jié)合提供良好的基礎(chǔ)[14]。盡管目前臨床應(yīng)用中仍然以金屬種植體使用最為廣泛,但三維打印技術(shù)的興起對非金屬材料的設(shè)計與制作提供了新的可能，也為臨床種植技術(shù)帶來了新的生機。

2.三維打印多孔種植材料的制作方法與主要參數(shù)

2.1 三維打印方法選擇 不同三維打印技術(shù)對多孔材料結(jié)構(gòu)成型的精度和粗糙度均有不同程度的影響，根據(jù)所采用的原料和成型方法不同，通常可以分為選擇性激光熔化(Selective laser melting，SLM)，電子束選區(qū)熔化成型技術(shù)(Electron Beam Selective Melting Forming，EBSM)，光固化成型(Stereo lithography Apparatus,SLA)，熔融沉積成型(Fused deposition modeling，F(xiàn)DM)等。SLM和EBSM 是目前常用的基于粉末的金屬3D 打印技術(shù)，利用高能束融化金屬粉末，通過逐層鋪粉完成材料構(gòu)建。SLM 較之EBSM 制備的樣品表面更為規(guī)則，同時SLM 樣品比EBSM 樣品更能促進前成骨細胞的增殖和礦化[15]。SLA 和FDM 能夠分別對樹脂，熱塑塑料等非金屬復(fù)合材料進行加工成型，其中，SLA 技術(shù)顯示出更好的精度及穩(wěn)定性[16]。但是SLA 的選材范圍較窄，而多數(shù)FDM 技術(shù)中使用的熱塑性材料缺少促進細胞粘附、增殖及分化的生物活性成分[17]。

2.2 三維打印主體結(jié)構(gòu)的主要參數(shù) 主要包括材料孔徑、孔隙率、孔型的設(shè)計。其中，合適的孔徑不僅要滿足細胞的氧氣需求與營養(yǎng)交換，同時，也需支持細胞與骨組織的長入與重塑。因此具備多孔性能的三維打印種植材料促進骨結(jié)合的原因主要包括兩個方面：其一，多孔結(jié)構(gòu)可提供促細胞附著、存活、遷移、增殖和分化的表面；其二，多孔結(jié)構(gòu)還可提供一定大小的孔隙，支持血管組織、新組織向內(nèi)生長，進而維持血液循環(huán)和營養(yǎng)物質(zhì)交換之間的良好平衡[18]。Yang 等[19]通過培養(yǎng)小鼠胚胎成骨細胞前體細胞(MC3T3-E1)比較了不同孔徑鈦合金植入物的生物性能。結(jié)果顯示孔徑350μm 組堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)與骨鈣素(osteocalcin，OCN)基因水平明顯高于其他組，顯示出良好的早期促成骨細胞分化性能與促骨礦化愈合能力。此外，有研究證實，多孔植體的最小孔隙率應(yīng)至少為40%，以保證足夠的細胞浸潤[20]。除了孔徑與孔隙率，孔型的設(shè)計對骨結(jié)合的影響也不容忽視。通過三維打印技術(shù)，學(xué)者們可以構(gòu)建多種復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，包括金剛石晶格、細胞結(jié)構(gòu)、小梁狀材料等[21,22]。這種三維空間結(jié)構(gòu)中的交叉支柱能夠使得細胞受到的物理刺激增加，降低細胞接種時的液體流速，進而更利于細胞粘附[23]，而這對促進材料與骨組織的結(jié)合至關(guān)重要。

2.3 三維打印梯度構(gòu)建 較高的孔隙率或較大的孔徑通常會使多孔種植體的力學(xué)性能降低，進一步直接影響種植體骨結(jié)合，而通過設(shè)計梯度材料能夠進一步改善植入體的機械性能，使其更加接近天然骨的力學(xué)性能而避免應(yīng)力屏蔽造成的材料周圍骨組織吸收及骨結(jié)合失敗[24]。Zhang[25]等發(fā)現(xiàn)，梯度設(shè)計的三維打印支架綜合力學(xué)性能優(yōu)于均勻多孔結(jié)構(gòu)的生物材料，具有平滑、連續(xù)、對稱的變形機制。此外，梯度多孔材料具備類似人股骨的徑向漸變結(jié)構(gòu)，總體表觀密度(1.9g/ cm3)更接近人股骨(1.88g/ cm3)。有研究表明380～405μm 孔徑促軟骨細胞和成骨細胞良好生長，186～200μm 孔徑利于成纖維細胞生長，而新骨形成的孔徑為290～310μm。因此梯度材料種植體內(nèi)存在不同孔徑的空隙能夠很好地促進不同類型組織向內(nèi)的最佳生長，同時，梯度網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的互連多孔結(jié)構(gòu)還能促進生理流體、氧氣和營養(yǎng)物的循環(huán)，以及細胞向植入物中心的遷移，并模擬天然骨的流動條件，提供有利于骨組織形成的良好環(huán)境[26]。

2.4 其他影響多孔材料骨結(jié)合的性能參數(shù) 除了最主要的孔徑、孔隙率、孔型參數(shù)和梯度構(gòu)建，多孔材料影響骨長入結(jié)構(gòu)參數(shù)還包括滲透性、連通性、比表面積、孔隙的扭曲度、孔隙分布等。多孔材料中血管形成及組織礦化所需要的滲透率閾值k為3×10-11m2，而當(dāng)多孔種植體的孔隙率為40%～70%時，擁有最接近人松質(zhì)骨的良好滲透性，能夠促進骨向內(nèi)生長入材料孔隙中，使骨結(jié)合強度增加[27]。同時，種植體中孔隙的互相連通對血液循環(huán)與體液交換有著不可忽視的作用，為促進成骨細胞生長與骨長入，多孔植體孔隙間的互聯(lián)尺寸必須超過50μm[28]。此外，與傳統(tǒng)的植入物比較，多孔材料明顯的增加了植入物的比表面積，利于成骨細胞早期的粘附增殖，進一步使新骨形成增加，促進植入物的早期骨整合。而多孔材料作為一種具備貫通性、滲透性的孔隙狀支架，在三維空間結(jié)構(gòu)上，其孔隙的扭曲度及分布也直接影響著成骨性能。材料孔隙之間互相連接，構(gòu)成了復(fù)雜的仿生血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種類似于骨骼的孔隙扭曲度與多孔微通道分布，可以促進營養(yǎng)物質(zhì)的運輸，從而促進組織向內(nèi)生長和血管化，增強骨缺損區(qū)域的新骨形成[29]。

3.三維打印多孔種植材料的特點和設(shè)計中需要考量的方面

3.1 三維打印多孔種植材料的特點 目前，關(guān)于三維打印種植體和預(yù)成多孔種植體，均有一定研究。例如：三維打印種植體采用3D 打印技術(shù)、通過個性化定制設(shè)計不同患者的植入物，進一步提高其適合性與精確度，滿足不同大小及復(fù)雜程度的骨缺陷，優(yōu)化臨床種植手術(shù)[30]。而在預(yù)成多孔種植體的研究領(lǐng)域，Chang 等在市售的Zimmer Dental公司的Screw-Vent 種植系統(tǒng)種植體基礎(chǔ)上設(shè)計了多孔參數(shù)，結(jié)果顯示具有互聯(lián)孔隙的3D 打印多孔種植體更能促進骨長入和骨礦化，從而獲得更好的穩(wěn)定及固位效果[31]。具備多孔性能的三維打印種植材料能夠通過促進細胞附著與增殖進一步加強骨結(jié)合，基于此，郭芳等將3D 打印個性化根型多孔種植體應(yīng)用于患者微創(chuàng)拔牙后的即刻種植，結(jié)果顯示，3D 打印個性化根型多孔種植體不僅能保留原有解剖結(jié)構(gòu)，而且具有與天然牙相近的力學(xué)性能，種植體植入后初始穩(wěn)定性與骨結(jié)合良好，具備極高的臨床應(yīng)用價值[32]。由此可見，三維打印多孔種植材料兼具三維打印種植體的個性化特點和預(yù)成多孔種植體的互聯(lián)孔隙促進骨結(jié)合的優(yōu)勢，具有更好的應(yīng)用前景。

3.2 三維打印多孔種植材料設(shè)計中需要考量的方面 由于種植區(qū)域的不同導(dǎo)致生物力學(xué)性能個體差異性，種植體材料三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考量機械性能、力學(xué)相容性、生物相容性和制造可行性四個不同方面。

多孔種植體與天然骨間機械性能若明顯失配會引發(fā)應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，使得其與骨組織之間結(jié)合力下降進而導(dǎo)致種植失敗[24]。適當(dāng)?shù)臋C械性能不僅使植入物具有承重能力，并能為成骨提供必要的環(huán)境。3D 打印種植體多孔材料的機械強度能對貼附細胞的正常生理代謝產(chǎn)生影響。一方面，貼附細胞的行為，例如遷移，增殖，分化，蛋白表達和凋亡等均受到種植材料機械強度強弱的影響[33]。另一方面，通過細胞表面整合素與貼附配體之間的特殊相互作用，貼附細胞能夠感知種植體的機械強度并且因此施加牽引力來影響細胞骨架的張力，而細胞骨架張力的微弱變化就能引起細胞形狀的變化，并且因此影響基因表達的級聯(lián)信號通路[34]。力學(xué)性能由材料選擇及結(jié)構(gòu)共同決定，而通過設(shè)計孔徑及孔隙率能改善種植體的機械性能，在保持合適孔隙率的同時達到良好的生物力學(xué)相容性，使其與植入部位組織具有相近力學(xué)性能，包括強度、密度、彈性模量等，以維持骨代謝生物力學(xué)環(huán)境中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性[35]。此外，三維打印多孔種植體應(yīng)具備良好的生物相容性，同時具備臨床制造可行性，可以重復(fù)打印出設(shè)計復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以滿足不同的臨床需求。由此可見，三維打印多孔種植材料的設(shè)計需要進行系統(tǒng)全面的綜合考量。

4.三維打印多孔種植材料的表面改性和載藥涂層

4.1 表面改性 為了改善植入物及細胞間的微環(huán)境，提高多孔材料的生物活性，對三維打印多孔種植體進行表面改性逐漸成為了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個新熱點。表面改性是在保證材料原性能的前提下，僅對種植材料表面進行處理的技術(shù)，方法包括噴砂，打磨，酸堿處理，電化學(xué)陽極氧化等物理及化學(xué)方法以及生物活性涂層法。Nune KC 等[36]運用電化學(xué)陽極氧化在電子束熔融技術(shù)制作的多孔鈦合金表面制造出納米結(jié)構(gòu)，并將其與光滑多孔鈦種植體進行生物活性對比。成骨細胞培養(yǎng)結(jié)果顯示,通過表面處理的種植體有高表達的ALP 活性與鈣含量。宏觀尺度上，多孔植體使骨-種植體接觸面積的顯著增加能更大限度促進骨長入，而通過表面改性獲得的微納米粗糙表面可有效改善種植體表面能，進一步促進材料與細胞間的相互作用[37]。

4.2 載藥涂層 為了進一步改善細胞微環(huán)境，增強種植體抗菌性能，避免炎癥導(dǎo)致的骨結(jié)合失敗，在三維打印多孔種植材料的表面負載載藥涂層是提高其生物相容性，促進骨結(jié)合的有效手段。Zhang 等通過多巴胺涂層的偶聯(lián)，將BMP-2 衍生肽固定在3D 打印的多孔支架上，最終促進了堿性磷酸酶(ALP)，Runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(RUNX2)，骨鈣蛋白(OCN)和骨橋蛋白(OPN)等成骨相關(guān)基因的表達，展現(xiàn)出顯著的成骨作用[38]。此外，3D 打印可降解多孔生物材料載BMP-2 能夠有效維持骨重建時期所需的尺寸穩(wěn)定性，預(yù)防種植術(shù)后的早期骨吸收[39]。而目前給藥臨床研究廣泛的米諾環(huán)素在三維打印多孔種植材料促進骨結(jié)合方面應(yīng)用較少?，F(xiàn)有研究多集中在通過微球載藥或在種植體表面形成生物涂層達到米諾環(huán)素的局部緩釋給藥，而將三維打印多孔材料與米諾環(huán)素聯(lián)合應(yīng)用未見報道。研究發(fā)現(xiàn)，3D 打印材料能夠被賦予多功能性，多功能3D 打印PLA-膠原-米諾環(huán)素-納米羥基磷灰石支架兼具抗菌和促進骨再生作用[40]。由此可見，3D 打印多孔材料與載藥體系的結(jié)合能進一步誘導(dǎo)成骨，縮短骨缺損愈合時間，加速骨結(jié)合。

綜上所述，三維打印技術(shù)彌補了傳統(tǒng)種植材料制造在速度、精確度及耗材等方面的缺陷，能夠更為簡便而精準的制造出具高度連通孔隙的個性化植入物。同時，通過控制多孔種植材料關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計，如孔徑、孔隙率、孔型等，可進一步優(yōu)化多孔種植體的機械性能與生物性能，進而促進種植體骨結(jié)合。盡管三維打印相對昂貴的價格與生產(chǎn)規(guī)模的限制使其在目前臨床應(yīng)用仍然存在一定的局限性，但是可以預(yù)見代表著前沿的三維打印技術(shù)將逐漸成為主流，其在口腔種植領(lǐng)域也具有廣闊應(yīng)用前景。未來的發(fā)展目標是通過不斷創(chuàng)新，提高臨床種植成功率，為牙列缺損及缺失的老年人提供更多臨床選擇。