【解析】3D打印技術(shù)在骨組織支架材料的應(yīng)用

”組織工程“是20世紀(jì)80年代提出的一門新興交叉學(xué)科。其基本含義是應(yīng)用工 程和生命科學(xué)的基本原理和技術(shù)，在體外構(gòu)建具有生物功能的人工替代物，用于修復(fù)組織缺損，替代失去功能或衰竭的組織，器官部分或全部功能。目前構(gòu)建的骨組織工程支架還很不完善,在力學(xué)性能、降解速度、結(jié)構(gòu)形態(tài)、生物活性等方面仍有許多問題亟待解決。隨著骨組織工程及其相關(guān)領(lǐng)域研究的深入和進步,骨組織工程支架的研究將會具有突破性的進展。在骨組織工程中，3D打印技術(shù)已經(jīng)起著很重要的作用，應(yīng)用此技術(shù)可構(gòu)造出任何形狀的物體。

應(yīng)用傳統(tǒng)方法制作骨組織工程支架取得一定成就，但在支架的三維結(jié)構(gòu)、 力學(xué)強度、支架個性化方面不太滿意，通過3D打印技術(shù)制作支架的方法有望改變這些不足。對3D打印技術(shù)制作骨組織工程支架作一綜述 ，對支架的未來優(yōu)化進行展望。當(dāng)前3D打印技術(shù)已被應(yīng)用于工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)等方面 。在生物醫(yī)學(xué)方面，3D打印技術(shù)已近被應(yīng)用 于器官及細(xì)胞打印、組織工程支架及假體植入物 、器官模型的制作及手術(shù)指導(dǎo)策劃。

1、3D打印技術(shù)  
3D打印技術(shù)是即快速成形技術(shù)的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。特別是一些高價值應(yīng)用（比如髖關(guān)節(jié)或牙齒，或一些飛機零部件）已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。“3D打印技術(shù)”意味著這項技術(shù)的普及。3D打印技術(shù)通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)。這種打印機的產(chǎn)量以及銷量在二十一世紀(jì)以來就已經(jīng)得到了極大的增長，其價格也正逐年下降。

2、骨組織  
2.1常用的骨組織工程支架材料：
人工骨支架材料可分為兩類，即生物降解和非生物降解型。早期的人工骨支架材料都是非生物降解型的，這類材料有：高聚物（碳素纖維，滌綸，特氟�。�，金屬材料（不銹鋼，鈷基合金，鈦合金），生物惰性陶瓷（氧化鋁，氧化鋅，碳化硅），生物活性陶瓷（生物玻璃，羥基磷灰石，磷酸鈣）等。這些材料的特點是機械強度高（耐磨、耐疲功、不變形等，生物惰性（耐酸堿、耐老化、不降解）。但存在二次手術(shù)問題，因此人們開始研究使用可生物降解并具有生物活性的材料，這類材料有纖維蛋白凝膠、膠原凝膠、聚乳酸、聚醇酸及其共聚體、聚乳酸和聚羥基酸類、瓊脂糖、殼聚糖和透明質(zhì)酸等 多糖類。目前研究和使用的骨組織支架材料是降解材料或降解和非降解材料的結(jié)合。

2.2理想骨組織支架材料的特征
①生物相容性和表面活性：有利于細(xì)胞的黏附，無毒，不致畸，不引起炎癥反應(yīng)，為細(xì)胞的生長提供良好的微環(huán)境，能安全用于人體。  
②骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性：具有良好骨傳導(dǎo)性的材料可以更好地控制材料的降解速度，具有良好骨誘導(dǎo)性的支架材料植入人體后有誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化并促進其增殖的潛能。
③合適的孔徑和孔隙率：理想的支架材料孔徑最好與正常骨單位的大小相近(人骨單位的平均大小約為223 μm)，在維持一定的外形和機械強度的前提下，通常要求骨組織工程支架材料的孔隙率應(yīng)盡可能高，同時孔間具備連通孔隙，這樣有利于細(xì)胞的黏附和生長，促進新骨向材料內(nèi)部的長入，利于營養(yǎng)成分的運輸和代謝產(chǎn)物的排出
④機械強度和可塑性：材料可被加工成所需的形狀，并且在植入體內(nèi)后的一定時間內(nèi)仍可保持其形狀。  

3、3D打印技術(shù)在構(gòu)建骨組織支架材料的研究狀況  
3D打印技術(shù)制作骨組織工程支架的實驗研究  目前可用作骨組織工程支架制作的3D打印技術(shù)有熔融層積成型、立體平版印刷、選區(qū)激光燒結(jié)及3DP技術(shù)等。  

3.1 熔融層積成型
熔融層積成型技術(shù)是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后 ，機器工作臺下降一個高度(即分層厚度)再成型下一層，直至形成整個實體造型。熔融層積成型技術(shù)所使用的原料通常為熱縮性高分子，包括{ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等}。   

熔融層積成型技術(shù)的優(yōu)勢在于制造簡單、成本低廉，此技術(shù)可用不同材料制作不同組織，各解剖結(jié)構(gòu)可分別用不同顏色、類型的材料制成以示區(qū)分，但打印出的支架在精度及表面質(zhì)量方面還不理想，而且高溫可能破壞原材料的化學(xué)成分，同時溫度對于熔融層積成型效果影響非常大，成品效果依然不夠穩(wěn)定，所以在對精度要求較高的快速成型領(lǐng)域較少采用熔融層積成型技術(shù)，且該技術(shù)不能打印生長因子 、蛋白質(zhì) 、細(xì)胞 ，限制了其在醫(yī)學(xué)支架方面的進一步應(yīng)用，耗時較長可達24 h。

3.2立體平板印刷SLA
又稱為光敏液相固化法、光固化成形、立體光刻等，是最早出現(xiàn)的技術(shù)最成熟和應(yīng)用最廣泛的快速原型技術(shù)。它是在樹脂槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，使其在激光束或紫外線光點的照射下快速固化。這種工藝方法適用于制造中小型工作，能直接得到塑料產(chǎn)品。它還能代替蠟?zāi)Ｖ谱鳚茶T模具，以及作為金屬噴涂模，環(huán)氧樹脂模和其它軟模的母模，是目前較為成熟的快速原型工藝。  

近年來單純以光過敏樹脂為材料通過立體平板印刷法打印骨組織工程支架已有較多的報道。通過此法制備的支架具有人松質(zhì)骨的力學(xué)強度，并可促成骨細(xì)胞增殖及粘附。研究表明，用混合材料制作的支架比單純的光過敏樹脂制作的支架在力學(xué)強度、組織相融性、成骨性方面更有優(yōu)勢。Kim等以聚富馬酸二羥基丙脂/羥基磷灰石為原料，通過此技術(shù)制備了復(fù)合支架材料、復(fù)合支架材料孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙相通�？紫洞笮〖傲�學(xué)強度比單純的聚富馬酸二羥丙脂更有優(yōu)勢，且加入羥基磷灰石能進一步促進胚胎成骨細(xì)胞前體細(xì)胞在支架上的黏附和增殖。同樣以磷酸酯寡聚體-雙甲基丙烯酸酯/羥基磷灰石為原料，利用立體平板印刷技術(shù)制成的復(fù)合材料更能促進骨形成及材料骨的結(jié)合。  

3.3  激光選區(qū)燒結(jié)
采用激光器對粉末材料(塑料粉、陶瓷與粘結(jié)劑的混合粉、金屬與粘結(jié)劑的混合粉等)進行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點一層層堆積成三維實體的工藝方法。激光選區(qū)燒結(jié)在開始加工之前，先將充有氮氣的工作室升溫，并保持在粉末的熔點以下。成形時，送料筒上  升，鋪粉滾筒移動，先在工作平臺上鋪一層粉末材料，然后激光束在計算機控制下按照截面輪廓對實心部分所在  的粉末進行燒結(jié)，使粉末熔化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結(jié)完成后，工作臺下降一截面層的高度，再鋪上  一層粉末，進行下一層的燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。最后經(jīng)過 10h 冷卻，即可從粉末缸中取出零件。未經(jīng)燒結(jié)的粉末能承托正在燒結(jié)的工件，當(dāng)燒結(jié)工序完成后，取出零件，未經(jīng)燒結(jié)的粉末基本可自動脫掉，并重復(fù)利用。因此，SLS 工藝不需要建造支撐，事后也不要為清除支撐而煩惱。  

3.4 3DP技術(shù)  
三維印刷(3DP)工藝是美國麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申請了3DP專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。通過噴頭用粘接劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強度較低，還須后處理。

具體工藝過程如下：上一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個距離（等于層厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成型缸，鋪平并被壓實。噴頭在計算機控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時多余的粉末被集粉裝置收集。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結(jié)束后，比較容易去除。

4、3D打印技術(shù)在構(gòu)建骨組織支架材料的成果
近年來通過熔融層積成型法制作的單純聚酯類支架在動物實驗中具有一定的成骨作用， 但支架的力學(xué)強度、降解性仍不滿 。Schantz等以聚已內(nèi)酯和磷酸鈣混合物為支架材料，通過熔融層積成型技術(shù)制備聚已內(nèi)酯一磷酸鈣支架，該混合支架降解速率和力學(xué)強度較單純 聚已內(nèi)酯支架明顯提高。Xu等在 CT引導(dǎo)下采用熔融沉積成型技術(shù)制備聚己內(nèi)酯，羥基磷灰石三維人工骨，模仿天然山羊股骨，所有的結(jié)果表明， CT引導(dǎo)下的有熔融層積成型技術(shù)是一種簡單、方便、成本相對較低的方法，適用于制作天然骨人工骨。

此外，此技術(shù)制備的聚已內(nèi)酯/羥基磷灰石人工骨更接近自然骨的力學(xué)，體外細(xì)胞生物相容性、生物降解能力良好，具有適當(dāng)?shù)捏w內(nèi)骨形成能力。因此，聚已內(nèi)酯/羥基磷灰石三維人工骨可能在臨床骨缺損患者的治療中的應(yīng)用。  骨組織支架材料應(yīng)具有高度互連的多孔結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)臋C械和生物性能，為了使支架性能更加良好，當(dāng)前研究者多采用混合原料制作支架。多為科學(xué)家選用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)制作多孔磷酸三鈣支架，也用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)聯(lián)合AM法建立了三維聚乙內(nèi)酯支架，具有良好的宏觀和微觀特征。

在醫(yī)療行業(yè)，一位83歲的老人由于患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D打印機“打印”出來的下顎骨，這是世界上首位使用3D打印產(chǎn)品做人體骨骼的案例。同時應(yīng)用 3D打印技術(shù)制作的足踝矯形器不僅能實現(xiàn)個體化治療 ，還能減少人工成本和時間成本 。對復(fù)雜 的足踝外科手術(shù)，3D打印模型和導(dǎo)向模板不僅能減少手術(shù)難度、減少術(shù)中透視次數(shù)，更能增強手術(shù)精確性。此外，3D打印技術(shù)也可應(yīng)用于制造個體化植入物，隨著3D打印模型表面 處理和幾何精確度等技術(shù)的進步，3D打印技術(shù)在直接打印植入物方面有巨大的發(fā)展空間 3 D打印技術(shù)在足踝外科的應(yīng)用也比較廣泛。

5、前景  
集醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、計算機輔助技術(shù)與制造于一 身的 3D打印技術(shù) ，有望便捷 、快速地為患者量體裁衣 ，制備個性化的植入物 ，使患者告別過去那種 “削 足適履”的傳統(tǒng)治療方式。3D打印技術(shù)的應(yīng)用還可以有效促進醫(yī)患溝通 ，在與病人的談話中，在利用 3D打印技術(shù)制好的模型上生動 、形象地向患者及家屬描述病情并告知其手術(shù)中的操作等 ，真正的讓病人感覺“明明白白”治病 ，有效緩和醫(yī)患之間緊張的關(guān)系 ，具有顯著的臨床效益。

利用 3D打印技術(shù)制造的醫(yī)用植人體比傳統(tǒng)更輕、更堅固，滿足個性化要求 ，獨特的空間成型技術(shù) ，可按治療需求形成空間支架 ，表面仿生孔隙，從而具有更佳的生物相容性，盡 可能接近生理功能要求，給骨組織修復(fù)的個體化治療帶來了革命性的改變。總之，未來通過 3D打印機將組織干細(xì)胞、支架材料、生長因子、信號分子、蛋白質(zhì)等在計算機軟件控制下， 通過3D打印技術(shù)最終打印出有生命、有生理功能的骨組織工程器官，這在醫(yī)學(xué)界有著非常廣闊的前景。

6、亟待解決的問題  
3D打印技術(shù)作為一項革命性技術(shù) ，它可以直接將三維數(shù)字模型打印為更直觀、立體的實物模型，方便醫(yī)生在個體化的模型上進行疾病的診斷并加強針對性 的操作練習(xí)等。然而 ，3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨組 織修復(fù) 尚存在以下幾方面的問題 ：

(1)3D打印技術(shù)規(guī)范與評估的完善 ：以“激光快速成型術(shù) 的制作工藝和應(yīng)用技術(shù)”為例，相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺，無 法評估激光成型過程中是否破壞植人物內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)、外部精度以及力學(xué)性能 (如強度、構(gòu)件疲勞、斷裂韌性)等。
(2)材料的研發(fā)需求 ：3D打印技術(shù)對打印材料要求較高，因該技術(shù)是將原材料逐層打印， 然后黏合在一起 ，所以制造生產(chǎn)出來的模型機械強度差 ，是否能適應(yīng)長期 的高強度使用尚不得而知。 因此 ，選擇制造合適 的材料 成為 3D打印技術(shù)能否被順利應(yīng)用于臨床的關(guān)鍵環(huán)節(jié) ，開發(fā)能夠適合醫(yī)學(xué)應(yīng)用的 3D打印材料是當(dāng)務(wù)之急。
(3)相關(guān)政策法規(guī)滯后 ：3D打印技術(shù)涉及到知識產(chǎn)權(quán)、人類倫理、危險品制造等多方面領(lǐng)域 ，目前尚無明確的相關(guān)政策及法律與之相輔相成 。
(4)費用偏高 ：3D打 印設(shè)備大都價格昂貴，且設(shè)備的運行 、打印材料 的購買及專 業(yè)人員的相關(guān)費用均是一筆不菲的開銷 ，并且由于是個體化模型制造 ，因此難以用于批量生產(chǎn)以降低成本。

(5)時效性偏低 ：雖然3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù) ，且能有效縮短手術(shù)時間、提高手術(shù)安全性及精確性 ，然而從影像學(xué)資料的建立到實物模型打印及個性化假體與內(nèi)植物的制造 ，整個過程耗時卻不少。根據(jù)打印技術(shù)的不同及模型大小和復(fù)雜與精細(xì)程度 ，整個過程耗時少則數(shù)小時 ，多則數(shù)天，因此很難被運用到急診手術(shù)當(dāng)中。
(6)應(yīng)用條件與推廣應(yīng)用的限制 ：3D打印技術(shù)在醫(yī)院的使用仍然受到諸多條件限制。目前已經(jīng)將 3D打印運用到臨床上的醫(yī)院，往往是一些大型醫(yī)院，且為此專門建立了 3D打印實驗室，由生物材料、生物工程、影像學(xué)處理等領(lǐng)域的專業(yè) 人士組成 ，而這些人力資源大部分醫(yī)院是不具備的 。 雖然隨著技術(shù)的進步，3D 打印模型的成本逐年穩(wěn)步下降，但仍相對稍高 ；其次 ， 3D 打印耗時仍過長 ，較難應(yīng)用于急診手術(shù) ；最后，3D
打印技術(shù)的應(yīng)用仍處于試驗階段，其 應(yīng)用范圍需更多的探索，實際療效需臨床研究驗證 。  

3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨組織工程支架已取得了可喜的成果，并且蘊含著不可估量的前景。但是目前來講， 3D打印應(yīng)用于骨組織工程支架并不是完美的，仍需認(rèn)識到其存在的問題與不足 。 3D打印的費用比較昂貴，不僅打印設(shè)備及運行費用較高，其材料從前期粉末的制成到后期的燒結(jié)過程花費也不容忽視 ，打印1個頭顱模型的花費高達1 000—2 000美元 ，這種花費對于中國國情來說并不現(xiàn)實，也限制了其在國內(nèi)的發(fā)展 ；實現(xiàn)個性化定制雖是3D打印的一項優(yōu)勢，但是 ，從另一角度講不利于大規(guī)模批量的商業(yè)生產(chǎn)。

由于3D打印最初用于工程學(xué)而并非醫(yī)學(xué)，應(yīng)用于支架的構(gòu)建時是一個跨學(xué)科的過程 ，涉及兩個領(lǐng)域的專業(yè)知識 ，而目前醫(yī)學(xué)研究人員與工程學(xué)研究人員的研究領(lǐng)域和知識構(gòu)架相對獨立，缺乏專門的技術(shù)人才 ，這也是今后 3D打印更廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)所必須解決和改善的問題 ；另外，在不同粉末材料的選擇上并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) ，在分析各材料的優(yōu)劣性時仍無系統(tǒng)可靠的指標(biāo)或缺乏充足的實驗證據(jù) ，仍需進一步研究從結(jié)構(gòu) 、功能、臨床效果等多方面來綜合評價其材料的優(yōu)點與缺點；3D打印后的支架需保持一定的生物相容性 ，如何增加材料的生物相容性及更接近。  體內(nèi)微環(huán)境的模擬仍需進一步探索；細(xì)胞在3D支架材料內(nèi)部的粘附、生長、分化與細(xì)胞與環(huán)境的作用機制仍需大量研究來闡明。


編輯：南極熊
來源：網(wǎng)絡(luò)
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