3D打印技術(shù)在生物骨支架制備中的研究進(jìn)展*

劉子博，周武藝，2

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，生物質(zhì)3D打印材料研究中心，廣東 廣州 510642；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南熱帶智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642)

1 3D打印技術(shù)的概念及其種類

3D打印技術(shù)(3DP)，又稱為增材制造，是一種快速成型技術(shù)。它是基于數(shù)字模型文件，利用可粘合的金屬粉末或聚合物等材料，逐層打印疊加來(lái)建造物體。使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后將其劃分為二維切片數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)控制3DP系統(tǒng)，將這些二維結(jié)構(gòu)逐層打印、堆積成特定結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)。3DP技術(shù)種類繁多，包括光固化立體印刷、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型、3D生物打印等。

隨著科技的發(fā)展及臨床醫(yī)學(xué)需求的不斷擴(kuò)大，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之變得十分寬泛。無(wú)論是日常生活用品、工業(yè)機(jī)械設(shè)備還是生物醫(yī)用材料，乃至是活體器官植入物等領(lǐng)域，都已經(jīng)開始廣泛的運(yùn)用3D打印技術(shù)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)已成為制作器官模型、個(gè)性化組織工程支架材料及假體植入物、細(xì)胞或組織打印等方面的重要手段之一[1]。盡管目前一些替換材料已經(jīng)可以批量生產(chǎn)，但它們的形狀和結(jié)構(gòu)都是固定的。通過(guò)3D打印技術(shù)，可以根據(jù)不同病人的CT、DEXA結(jié)果和損傷情況，進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)假體和病人病變位置的完美契合。此外，還可以針對(duì)微觀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如細(xì)胞排列方式和材料結(jié)構(gòu)，以更好地促進(jìn)細(xì)胞及組織的生長(zhǎng)和分化，達(dá)到理想的組織修復(fù)效果。因此，近年來(lái)，越來(lái)越多的生物醫(yī)用材料開始采用3D打印技術(shù)。本文將側(cè)重綜述最新進(jìn)展的3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)骨支架中的應(yīng)用。

1.1 光固化立體印刷

Charles W Hull博士于1986年發(fā)表了一篇專利，提出了光固化立體打印方法的概念，該方法通過(guò)激光掃描彩色光敏樹脂表面并進(jìn)行固化來(lái)制作三維物體。該技術(shù)利用通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的紫外激光束，依據(jù)計(jì)算機(jī)模型設(shè)立的每一個(gè)分層截面的路徑逐點(diǎn)掃描，使薄層樹脂在掃描區(qū)域發(fā)生光聚合或光交聯(lián)反應(yīng)，并進(jìn)行固化。在一個(gè)分層截面固化完成后，工作臺(tái)會(huì)在垂直方向上移動(dòng)，在先前已經(jīng)固化的樹脂表面上覆蓋一層新的液體樹脂再次進(jìn)行掃描和固化，最終通過(guò)逐層疊加得到三維模型。SLA具有精度高、性能穩(wěn)定以及產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但其成型后的產(chǎn)品需要通過(guò)清洗去除雜質(zhì)，此過(guò)程中產(chǎn)品可能發(fā)生變形[2]。已有研究表明，光固化立體打印技術(shù)可以用于生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)材料，例如骨[3]、軟骨[4]、血管[5]等，為后期患者的植入修復(fù)提供更理想的條件。

1.2 選擇性激光燒結(jié)

一般而言，選擇性激光燒結(jié)(SLS)一般為一種基于粉狀材料的制造加工技術(shù)。在SLS過(guò)程中，粉末材料會(huì)自然堆積而形成空隙，這些空隙會(huì)降低燒結(jié)件的密度和機(jī)械性能[6-7]。因此，粉末的微觀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性是SLS工藝中的重要參數(shù)，直接影響流動(dòng)性和堆積密度，最終影響制造部件的密度、尺寸精度和機(jī)械性能[8]。一般來(lái)說(shuō)，粉末的球形度直接決定了零件的表觀質(zhì)量，球形度越好，表觀質(zhì)量越高[9]。為了制備具有不同單細(xì)胞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多孔骨支架，Xu等[10]采用了選擇性激光燒結(jié)法，并通過(guò)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)評(píng)估了每種結(jié)構(gòu)類型的骨支架所能承受的最大應(yīng)力和最大承載力，得到了不同結(jié)構(gòu)骨支架的力學(xué)性能差異。體外研究表明，不同結(jié)構(gòu)的骨支架具有不同的力學(xué)性能，在臨床中，可以根據(jù)患者的不同需求選擇不同結(jié)構(gòu)的骨支架。

1.3 熔融沉積成型

通過(guò)底部帶有微細(xì)噴嘴的熔融沉積成型(FDM)技術(shù)原理是利用計(jì)算機(jī)控制噴嘴移動(dòng)到指定位置，在加熱和熔化材料后將其擠出并固化，最終制成三維產(chǎn)品。FDM材料往往由熱塑性成分如聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸、聚氯乙烯和聚乙烯醇等構(gòu)成。該技術(shù)有原理簡(jiǎn)單、環(huán)保、強(qiáng)度和精度高并不受使用環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，F(xiàn)DM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制藥、生物醫(yī)學(xué)、汽車和電子器件等領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)。在一個(gè)由Wang等[11]進(jìn)行的研究中，他們利用聚乳酸為基材，氧化石墨烯為增強(qiáng)劑，以三周期最小表面為多孔材料，成功開發(fā)了具有TPMS結(jié)構(gòu)的PLA/GO支架，并對(duì)其多孔結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和生物學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。機(jī)械試驗(yàn)結(jié)果表明，GO可以有效地提高PLA的抗拉和抗壓強(qiáng)度；僅添加0.1%的GO，其抗拉和抗壓模量就分別增加了35.6%和35.8%。然后，設(shè)計(jì)了TPMS結(jié)構(gòu)支架模型，并使用FDM制備了TPMS結(jié)構(gòu)PLA/0.1%GO納米復(fù)合材料支架。通過(guò)壓縮試驗(yàn)可得出結(jié)論，TPMS支架的承壓能力高于晶格結(jié)構(gòu)的支架。這是由于TPMS連續(xù)的彎曲結(jié)構(gòu)能夠減輕應(yīng)力集中，并實(shí)現(xiàn)更均勻的應(yīng)力分布。此外，細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用TPMS結(jié)構(gòu)支架的骨髓基質(zhì)細(xì)胞(BMSC)更容易附著、增殖和分化成骨細(xì)胞，這是因?yàn)門PMS的連續(xù)表面結(jié)構(gòu)具有更好的連接性和更大的比表面積。綜上所述，PLA/GO材料制成的TPMS支架在骨修復(fù)方面具有潛在的應(yīng)用前景。

1.4 3D生物打印

生物3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，通過(guò)按需設(shè)計(jì)的3D模型來(lái)精確定位和組裝生物材料，其中甚至可以混合活細(xì)胞。通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型的方式，可以制造出各種生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品，例如人工植入支架[12]、組織器官[13]以及醫(yī)療輔助設(shè)備[14]。這種將生物材料應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域的方法具有十分廣闊的前景。3D打印技術(shù)因其具有快速、準(zhǔn)確、個(gè)性化、差異化的特點(diǎn)，因此很適合制造復(fù)雜多變的實(shí)體。因此，生物3D打印技術(shù)可以與生物材料、細(xì)胞培養(yǎng)、醫(yī)學(xué)成像和軟件輔助技術(shù)相結(jié)合，為患者特定的解剖結(jié)構(gòu)、生理功能和治療需要設(shè)計(jì)和制造用于個(gè)性化醫(yī)療和精準(zhǔn)醫(yī)療的醫(yī)療輔助裝置、人工植入支架、組織和器官等醫(yī)療產(chǎn)品。在骨支架領(lǐng)域，Liu等[15]利用3D生物打印技術(shù)，采用了納米ATP/GelMA復(fù)合水凝膠作為基質(zhì)，并通過(guò)加載BMSCs和MUVECs成功制備了一種具有優(yōu)良打印性能和機(jī)械性能、良好細(xì)胞相容性的水凝膠支架。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該3D打印的水凝膠支架能夠有效促進(jìn)骨再生和血管生成。可見，3D生物打印技術(shù)對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料的制備及臨床醫(yī)學(xué)的治療都具有十分重要的意義。

2 3D打印技術(shù)制備的支架材料及其應(yīng)用

支架材料的三維打印技術(shù)具備方便、高度個(gè)性化以及高自由度的優(yōu)點(diǎn)，代表了組織工程支架材料方面的一項(xiàng)重大突破。目前已經(jīng)出現(xiàn)了眾多通過(guò)3D打印技術(shù)制備的支架材料，如骨科[16-19]、牙周[20-21]、心臟[22-24]、神經(jīng)組織工程支架[25]等。這種支架材料應(yīng)當(dāng)具備優(yōu)良的機(jī)械性能，能夠精準(zhǔn)地打印出三維支架，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)具有良好的生物性能，以滿足細(xì)胞增殖和粘著的要求。通常，支架材料可以分為兩類：聚合物和生物陶瓷材料。前者包括海藻酸鹽[26]、殼聚糖[27]、膠原蛋白[28]等高分子材料，這些材料具有良好的延展性和可塑性，可以根據(jù)臨床需要進(jìn)行改良。而后者則包括羥基磷灰石、硅酸鹽、氧化鈣等生物陶瓷材料，其成分接近于骨礦化基質(zhì)，可促進(jìn)細(xì)胞的增殖和分化，降解率較低，可以更好地促進(jìn)組織重建，并具備穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、高強(qiáng)度和耐磨性等特點(diǎn)。

3 3D打印骨支架的研究

骨支架具有填充骨缺損、引導(dǎo)新骨生長(zhǎng)和在體內(nèi)承受負(fù)荷的作用[29]。然而，骨支架在承受負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致骨支架開裂或崩潰，導(dǎo)致骨支架的強(qiáng)度不足以滿足骨植入物的要求。因此，為了提高骨支架的力學(xué)性能和生物相容性，實(shí)現(xiàn)理想的骨組織再生，學(xué)者們對(duì)再生性支架材料展開了一系列探索。研究表明，支架結(jié)構(gòu)和孔隙率是影響多孔骨支架力學(xué)性能和生物相容性的重要因素。

3.1 支架結(jié)構(gòu)

骨支架中的關(guān)鍵特征是骨支架結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼤?huì)很大程度上地影響骨支架的機(jī)械性能和生物相容性。骨支架除了發(fā)揮承重功能，還應(yīng)該能夠促進(jìn)血管生成。多孔結(jié)構(gòu)的相互連接能夠允許自然細(xì)胞的移植和增殖[30]。另外，骨支架結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠提供足夠的表面積來(lái)促進(jìn)細(xì)胞-支架相互作用，并協(xié)助氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散以及廢物的排出。Duan等[31]使用傳統(tǒng)的多孔制備技術(shù)提高了直接在微結(jié)構(gòu)上書寫墨水的構(gòu)建性能，并通過(guò)3D凝膠打印(3DGP)成功制備了分層的多孔支架。磷酸三鈣(TCP)納米粉通過(guò)化學(xué)共沉淀法被涂覆在微米級(jí)羥基磷灰石(HA)上，形成雙相磷酸鈣(BCP)。凹形微孔的隨機(jī)結(jié)構(gòu)通過(guò)在BCP漿料中填充PMMA微球?qū)崿F(xiàn)，同時(shí)成功控制了內(nèi)部孔隙率的印刷長(zhǎng)絲。該研究成功構(gòu)建了具有三級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的支架，即1.50～2.00 mm的宏觀孔隙，100～200 μm的球形微孔，以及1.00～10.00 μm的粉末間隙。涂有納米TCP的微米級(jí)HA粉末提高了BCP顆粒的燒結(jié)能力。在1400 ℃下燒結(jié)的支架具有84.98%的孔隙率和2.78 MPa的抗壓強(qiáng)度。這表明，通過(guò)3D打印制備的分層多孔BCP支架在骨組織工程方面具有巨大的應(yīng)用前景。

3.2 孔隙率

在骨組織工程支架的制備過(guò)程中，孔隙率是另一個(gè)重要的評(píng)估支架成型性能的因素[32]。過(guò)高的孔隙率會(huì)導(dǎo)致支架的力學(xué)性能降低，而過(guò)低的孔隙率則會(huì)阻礙新骨生長(zhǎng)，使得植入的支架無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。因此，適宜的孔隙率有助于種子細(xì)胞的粘附和增殖，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的交換，同時(shí)提高支架成骨能力。為此，Zhang等[33]采用UG建模和ANSYS分析，比較了不同孔隙率(50%、60%和70%)的骨組織工程支架模型在理論力學(xué)性能方面的差異。此外，使用加入了羥基磷灰石和聚乙烯醇的水凝膠作為支架材料，在嚴(yán)格控制纖維間距的條件下，對(duì)具有不同孔隙率的3D打印支架進(jìn)行比較，并綜合分析了支架的宏觀特征、微觀結(jié)構(gòu)以及生物力學(xué)性能，最后確定了具有最佳性能的骨組織工程支架的孔隙率。因此，合理選擇孔隙率是提高成骨效率的重要基礎(chǔ)，可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙連通性和支架力學(xué)性能的調(diào)控，使骨組織工程支架能更好地發(fā)揮支持細(xì)胞和生長(zhǎng)因子的作用。

Mohammad等[34]使用3D打印技術(shù)制備了一種超材料骨支架，該骨支架是由多個(gè)立方體單元堆積而成。其制備了含有不同孔隙率的立方體單元，分別為25%，30%，50%和55%的四種狀態(tài)，比較其力學(xué)性能及生物相容性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，30%的孔隙率是最佳的選擇。因此，研究人員使用30%的孔隙率制造了超材料骨架。Velioglu等[35]使用3D打印技術(shù)和PLA材料制造了三種股骨樣品，這些樣品包含具有不同孔徑的多孔立方體單元。通過(guò)測(cè)試得出結(jié)論：隨著孔徑大小或孔隙率的增加，機(jī)械性能會(huì)下降。

4 結(jié) 語(yǔ)

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展使人工骨支架的定制和個(gè)性化生產(chǎn)成為可能，使其更適合患者的身體特征，這對(duì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療和個(gè)性化醫(yī)療有積極的促進(jìn)作用[36]。本篇綜述著重闡述了骨支架材料的最新研究。此外，還對(duì)不同類型的3D打印/3D生物打印技術(shù)在制造骨支架時(shí)的打印方法和骨植入物的開發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。機(jī)械性能和生物相容性是生物骨支架增材制造中重點(diǎn)關(guān)注的兩個(gè)方面，過(guò)去的研究證實(shí)，支架結(jié)構(gòu)、孔隙率和孔徑大小等因素在改善支架機(jī)械性能和生物相容性方面可以發(fā)揮重要作用，同時(shí)這些方面也是目前改善骨支架機(jī)械性能的主要研究方向。

目前，雖然通過(guò)3D打印技術(shù)對(duì)骨支架的力學(xué)性能和生物相容性的進(jìn)行改進(jìn)已經(jīng)有了一定的進(jìn)展，但仍存在一些挑戰(zhàn)。大多數(shù)骨支架打印材料的打印條件需要苛刻的打印環(huán)境，或植入物制造的后處理步驟，而促進(jìn)可行的細(xì)胞打印環(huán)境的3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)將有助于改進(jìn)個(gè)性化的骨組織等同物[37]。此外，增材制造是一項(xiàng)昂貴的技術(shù)，涉及3D打印機(jī)的運(yùn)行成本、材料成本、消毒、包裝和運(yùn)輸成本。因此，在決定植入物的成本方面，打印類型存在一個(gè)重要的斷點(diǎn)，這需要在未來(lái)加以解決。另外，對(duì)于可降解的生物可降解骨支架，目前其降解率很難與人體骨再生率相匹配，而材料的復(fù)合為解決速率匹配問題提供了一個(gè)思路[38]。隨著制造科學(xué)、材料科學(xué)、力學(xué)、生命科學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的交叉融合，增材制造生物骨支架將以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)迎來(lái)臨床應(yīng)用的曙光。