3D 打印技術在創(chuàng)面愈合中的研究進展

吳子豪 杜偉斌 全仁夫

皮膚作為人體最大的器官，承擔著防御、免疫、代謝等多種功能。而在日常生活中，急性皮膚損傷隨處可見，具有發(fā)病率高、并發(fā)癥多等特點[1]。皮膚遭受大面積損傷后，患者會面臨著感染、休克，甚至死亡的威脅。目前我國每年復雜難愈合創(chuàng)面治療需求有3000 萬人次，而整個創(chuàng)面治療的需求更是高達1 億人次[2]。傳統(tǒng)治療方式中，中醫(yī)以“清熱祛腐，活血化瘀，補虛生肌”為大綱，輔以中藥治療，而西醫(yī)以植皮、清創(chuàng)縫合、反復換藥為主，但這些方案不僅治療周期長、花費較大，而且愈合后皮瓣功能差、傷口欠美觀，即使引用了負壓封閉引流技術（vacuum sealing drainage，VSD），仍然可能會加重原本的積血現(xiàn)象，有時也可因負壓時間過長導致創(chuàng)面干燥、壞死[3]。而隨著生物材料學、三維（three-dimensional，3D）打印技術的進步，傳統(tǒng)治療方案中的弊端將有望被解決。本文對3D 打印在創(chuàng)面愈合領域的研究進展進行綜述，現(xiàn)報道如下。

1 創(chuàng)面愈合概述

創(chuàng)面愈合是指各種因素造成皮膚缺損后，局部組織通過增殖、分化、重建等方式恢復局部生理結構和功能的過程。創(chuàng)面修復的階段包括：炎癥反應、新血管的生成、細胞增殖、創(chuàng)面成熟重建等環(huán)節(jié)[4]。創(chuàng)面愈合過程面臨著諸多挑戰(zhàn)，最常見的因素包括溫度、濕度、pH 值、排異、各種疾病的影響等。除此之外，創(chuàng)面愈合還面臨著氧化應激反應導致的細胞凋亡、創(chuàng)面愈合過程中炎癥持續(xù)狀態(tài)、血管再生以及可能存在的細菌感染問題等，不僅使創(chuàng)面愈合速度大大減慢，甚至有可能使得創(chuàng)面狀態(tài)進一步惡化，是目前創(chuàng)面愈合中亟需解決的重點、難點。

隨著3D 生物打印技術的進步，人工工程皮逐步被應用于臨床，通過對生物材料、生化物質(zhì)和活細胞的逐層精確定位，以及對功能部件位置的空間控制，來制造具有生物和機械性能的3D 功能活體人體結構，適用于創(chuàng)面愈合的臨床恢復。

2 生物3D 打印與創(chuàng)面愈合

2.1生物3D 打印在創(chuàng)面愈合中的研究進展 3D打印原理簡單來說就是將材料以快速制造技術，將其逐層打印并疊加在基板上，以此構造任何物體。劉煜凡教授等[5]在動物模型中找到了最佳微結構，以促進表皮干細胞的增殖分化并維持較高細胞活性，為構建3D 生物打印組織工程表皮以及全層皮膚模型奠定了基礎。隨后的眾多實驗驗證了3D 打印支架可促進細胞增殖與維持細胞活性[6-8]，彰顯了3D 支架在細胞層面上的巨大潛力。

皮膚還包括表皮層、真皮層和皮下組織等結構，目前的人工皮、敷料等功能單一，還無法模擬皮膚復雜的功能，因此多層次、多方位的3D 打印是解決當前復雜皮膚功能的一種方法。胡錦花等[9]利用生物3D 打印技術具有細胞定位精確，逐層打印高效的特點，基于皮膚分層結構進行打印，在體外快速構建高仿真的多層皮膚組織模型。這項研究表明，3D 打印可以在體外還原復雜的皮膚結構，為進一步還原皮膚功能奠定基礎。

基于皮膚的特殊性，Wei等[7]提出，3D 打印材料需要符合皮膚組織原有機械性能，主要包括：（1）生物相容性，即不會引起機體排斥反應；（2）力學性能，即具有一定的強度和柔韌性；（3）可降解性，即可以降解被機體吸收。打印材料標準的明確，讓3D 打印開啟了飛速發(fā)展模式，呈現(xiàn)出了材料科學、納米科學、生物技術應用多學科交叉融合發(fā)展大趨勢[8]。

除了上述方面的研究，3D 打印的模式也發(fā)生了變化，除了最常見的噴墨式打印與擠壓式打印外，激光直寫細胞打印技術、立體光刻細胞打印技術、聲波驅(qū)動式細胞打印技術等相繼面世，并取得了不錯的成果[10]。

2.2生物3D 打印在創(chuàng)面愈合中的優(yōu)勢

2.2.1細胞存活 細胞的增殖分化貫穿創(chuàng)面愈合的始終。中醫(yī)上可使用包括古漢愈瘍方等中藥方劑，促進成纖維細胞、表皮細胞增殖，加速創(chuàng)面愈合[11]?，F(xiàn)代醫(yī)學則經(jīng)常使用脫細胞同種異體真皮等來促細胞活性，但附著在相應基質(zhì)上的細胞存活率仍然較低，且面臨著人體的排斥反應[12]。

相比于過往的醫(yī)療技術，3D 打印大大增加了細胞與細胞之間、細胞與基質(zhì)之間的相互作用[13]，以支架的形式，搭載相應的細胞與基質(zhì)，促進細胞增殖與分化，在一定程度上彌補了常規(guī)手段治療創(chuàng)面損傷時細胞過度凋亡的缺陷。Han等[14]研究發(fā)現(xiàn)，良好的孔徑率可以使細胞附著力提高，大大增加了細胞的存活率。Pereira等[15]使用光固化3D 打印技術，在固化成型的同時不擠壓細胞，最大程度使細胞存活，為創(chuàng)面愈合提供良好的細胞環(huán)境。隨著研究的深入，支架中搭載的基質(zhì)，也越來越符合細胞生長所需要的環(huán)境條件。Wang等[16]研發(fā)出了載細胞水溶膠，細胞在水溶膠內(nèi)更加容易增殖，形成3D 細胞網(wǎng)絡，加速創(chuàng)面愈合過程中細胞的增殖。綜上所述，在3D 打印技術的加持下，創(chuàng)面修復過程中細胞的存活率及存活環(huán)境得到了極大提升，使創(chuàng)面可以更快更好地恢復。

2.2.2血管再生 創(chuàng)面早期血管損傷后，創(chuàng)口組織面臨著缺血、缺氧壞死的風險，并且營養(yǎng)細胞、局部代謝等都有賴血管的調(diào)節(jié)，因此，血管的再生是極為重要的一環(huán)。目前常用的手段包括中醫(yī)方劑，如紫黃生肌膏等可使血管內(nèi)皮生長因子水平增高，促進血管再生[17]，或者是現(xiàn)代醫(yī)學研究中的脂肪間充質(zhì)干細胞等也可促進血管再生，但局部感染問題、難以量化中草藥有效成分濃度等缺陷始終是中西醫(yī)結合治療創(chuàng)面損傷過程中需克服的困難[18]。

在常規(guī)的治療手段中，血管再生幾乎只能靠自愈，愈合周期長，所以需要尋找能夠引導血管內(nèi)皮細胞黏附、增殖、生長并在移植到創(chuàng)面后盡快建立微循環(huán)的方法。多孔支架內(nèi)微/納米纖維網(wǎng)絡的使用，能夠大大促進內(nèi)皮細胞的黏附與增殖[19]。生物活性玻璃可促進內(nèi)皮細胞和成纖維細胞之間的旁分泌效應，進而達到促進血管生成的目的，與靜電紡絲納米纖維復合成新型材料，打印成支架后在糖尿病創(chuàng)面修復中起到了較好的血管誘導作用[20-21]。還有不同成分的水凝膠，在干預創(chuàng)面后可見微血管密度明顯增加，尤其以海藻酸鈉-殼聚糖復合水凝膠最為明顯[22]。研究顯示，采用記憶性能與生物相容性好的材料作為支架基礎，按照本體血管的形狀進行打印，在回植創(chuàng)面后，新生血管與本體動脈結構相似，契合人體原本的血運狀態(tài)，改善了創(chuàng)后局部血循不暢的問題[23]。

2.2.3抗炎癥反應 炎癥反應是創(chuàng)面愈合過程中面臨的另一大難題，創(chuàng)面炎癥的持續(xù)會改變微環(huán)境，進而影響創(chuàng)面愈合時間，所以，控制好炎癥反應才能更好地促進創(chuàng)面愈合。目前常見的治療方法有中藥熏洗，或使用激素類物質(zhì)抗炎[24]。相較于傳統(tǒng)治療方式，3D 打印可使藥物盡可能地被吸收[6]，減少藥物浪費，并且不良反應較激素明顯減少。

根據(jù)文獻報道，3D 打印技術可降低患者氧化應激反應，減少炎癥持續(xù)時間[25]。還有研究指出，定向排列的3D 多孔網(wǎng)狀結構比蜂窩煤狀垂直貫穿的3D多孔網(wǎng)狀的炎癥發(fā)生率更低，為3D 生物打印的排列提出了更高的要求[26]。有學者指出，3D 打印材料制備的聚己內(nèi)酯管型支架的生物相容性不如脫細胞材料好，炎癥指標相對較高，所以當前研究傾向使用脫細胞基質(zhì)進行打印。目前常見的生物來源有豬、牛、山羊、大鼠的組織器官等，不僅材料來源更廣，也更具有仿生性，通過一定的構造手法，可形成對細胞友好的3D 水凝膠結構[27-28]。除了以上材料外，目前國內(nèi)的一些學者將目光放到了傳統(tǒng)的中醫(yī)藥方面，其中黃芪提取物黃芪多糖可通過使促炎細胞因子腫瘤壞死因子-α 和白細胞介素-1β 的表達上調(diào)，抑制抗炎細胞因子轉(zhuǎn)化生長因子-β 的表達，以此達到抗炎的效果[29]。同時還可以增加抗氧化酶活性和降低過氧化脂質(zhì)水平，并且提高機體的免疫和抗氧化性能[30]。雖然炎癥反應在創(chuàng)面愈合全過程中較為常見，但應用3D打印技術后，不管是3D 結構的構造，又或者是所使用材料的應用，都可以大大降低或者抑制炎癥的發(fā)生，為炎癥治療與管理提供新的思路與方法。

2.2.4抗感染 感染是外科創(chuàng)面中常見的并發(fā)癥之一，70%的難愈性創(chuàng)面都有生物膜的形成，這些生物膜則是感染的主要原因[31]。目前多用抗生素來抗感染治療，但長期應用會產(chǎn)生耐藥性，加大治療難度，因此，創(chuàng)面感染的治療，也是創(chuàng)面愈合的關鍵之一。

大量體外研究證明，不同支架所附著的細菌種類及數(shù)量都不同，主要以支架表面粗糙程度來決定[32]。傳統(tǒng)敷料及生物材料的制備，無論模鑄、鑄塑，又或是技術，都會在微觀上造成一定的幾何誤差，給菌落提供附著地，造成感染，而3D 打印技術其精確程度可及納米層次，最大程度使打印物表面光滑，菌落難以附著[33]。Pérez-Tanoira等[34]發(fā)現(xiàn)，島狀陣列突起可使生物材料與細菌減少接觸，以達到減少菌落附著的目的，還可以使用3D 圖形軟件設計3D 打印微圖案來增加生物材料的抗感染能力。

使用抗感染材料打印皮膚支架是另外一種解決感染的途徑。由于菌落分布位置的不同，即使傳統(tǒng)敷料中添加抗生素，也無法針對性抗感染，但3D 打印可根據(jù)其精確的空間控制能力，使抗菌材料分布在不同位置，更加針對性抗感染。還可通過使用抗菌材料納米銀等構建支架，抑制細菌增殖，達到抗菌目的[35]。總之，目前生物3D 打印較傳統(tǒng)方式，抗菌效果更好，更加具有針對性，隨著3D 打印技術精度的提高與3D 打印材料的開發(fā)利用，3D 打印技術將成為創(chuàng)面愈合的主流方法。

3 小結

本文綜述了3D 打印在創(chuàng)面愈合中的部分研究進展。（1）生物3D 打印技術在細胞層面上的突破，為支架打印奠定了基礎，最佳微環(huán)境的發(fā)現(xiàn)，使細胞活性大大提高；（2）3D 打印可以還原皮膚3D 結構，為進一步模擬皮膚功能，體外制備人工皮提供了更加廣闊的思路；（3）生物3D 打印材料標準的提出，使各類人工皮與人工支架選材做到了有據(jù)可依，加速了創(chuàng)面愈合材料的研究，為新型人工皮的研制奠定了基礎；（4）除了常規(guī)的打印技術，生物3D 打印在皮膚打印技術方面也有了長足的進步，如激光直寫細胞打印技術、立體光刻細胞打印技術、聲波驅(qū)動式細胞打印技術的相繼出現(xiàn)，更是為創(chuàng)面愈合提供了寶貴的技術支持。

關于3D 打印在創(chuàng)面愈合中的優(yōu)勢，有如下幾點：（1）3D 打印技術的使用可保證細胞的存活率，避免因細胞早期過度凋亡而帶來創(chuàng)面延遲愈合，并創(chuàng)造有利于細胞增殖分化的微環(huán)境；（2）3D 打印結合相應的材料，能夠加快血管再生，更符合原血管形態(tài)，加速創(chuàng)面的愈合；（3）在愈合過程中，可通過3D結構的構造與不同打印材料的選擇，降低炎癥反應發(fā)生率；（4）針對感染的發(fā)生，3D 打印以其精確的空間控制與搭載材料的選擇，控制菌落的附著與增殖，達到較好的感染控制率。

但目前3D 打印的缺陷也同樣明顯：（1）3D 打印物尚未應用于人體，僅在動物或細胞試驗中展開，難以觀察到臨床的相關數(shù)據(jù)；（2）創(chuàng)面的研究多以糖尿病、燒傷為主，缺乏其他疾病狀態(tài)下的創(chuàng)面資料，所以相關打印材料的選擇仍有待進一步擴展；（3）3D打印材料過于昂貴或難以獲得，暫時無法量產(chǎn)等。

總體來說，作為新型創(chuàng)面愈合手段，3D 打印因可提高創(chuàng)面愈合速度，降低炎癥反應與感染率等不良影響而逐漸成為一種新的趨勢，希望本文可以為相關研究提供更多的思路，同時期待3D 打印技術在創(chuàng)面愈合臨床治療中有著更加廣泛的應用，為創(chuàng)面損傷患者帶來更加經(jīng)濟實惠的治療方案。