深度解析 | 3D打印骨組織工程支架研究

文： 李想

眾所周知，人體無法完全愈合大規(guī)模的骨缺損，并且在大多數(shù)情況下，需要外部手術(shù)干預(yù)來恢復(fù)正常。目前臨床上的常用的骨移植物材料有以下幾種：自體骨，即材料取之于患者本人身體，是最理想的修復(fù)物，卻存在二次傷害，多術(shù)區(qū)及供區(qū)并發(fā)癥、來源不足等問題；異體骨，多來自尸體捐獻(xiàn)或是動(dòng)物，存在免疫反應(yīng)、潛在感染風(fēng)險(xiǎn)及倫理道德的問題。

圖1：不同后處理工藝及不同組分的3D打印人工骨支架的力學(xué)性能及生物性能

在此背景下，3D打印人工骨支架成為了相關(guān)科研工作者的研究熱點(diǎn)。由于此項(xiàng)技術(shù)能夠直接制造具有設(shè)計(jì)形狀，受控化學(xué)性質(zhì)和互連孔隙的多孔支架，已然成為制造骨修復(fù)材料的不二選擇。本文將結(jié)合發(fā)表于Materials Today的一篇綜述性文章《Bone tissue engineering using 3D printing》，介紹3D打印人工骨支架的最新進(jìn)展、當(dāng)前的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展方向。

綜述首先給出了相關(guān)背景介紹。人體的骨組織由兩種不同結(jié)構(gòu)組成：松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨。松質(zhì)骨為海綿狀，具有50~90％的孔隙率。皮質(zhì)骨是致密的骨外層，孔隙率低于10％。對于骨組織的連續(xù)向內(nèi)生長，相互連通的孔隙是非常重要的，以允許營養(yǎng)物和分子運(yùn)輸?shù)街Ъ艿膬?nèi)部，促進(jìn)細(xì)胞向內(nèi)生長，血管化以及廢物去除。目前，多孔骨支架可以通過多種方法制造，例如化學(xué)/氣體發(fā)泡，溶劑澆鑄，顆粒/鹽浸，冷凍干燥等。然而這些方法，不能控制孔徑，形狀及其互連性。而使用3D打印方法設(shè)計(jì)和制造這種支架，可有效解決上述問題。

文中隨后總結(jié)出：多孔支架的強(qiáng)度及降解性能受孔徑，幾何形狀和支撐方向相對于加載方向的影響很大；其次，材料表面特性如表面電荷和形貌也會(huì)影響材料親水性，進(jìn)而影響骨組織向內(nèi)生長。文章接著指出：低機(jī)械強(qiáng)度是多孔支架中的主要挑戰(zhàn)，而優(yōu)化的后處理方法和成分修改可以改進(jìn)人工骨支架的力學(xué)性能。

圖2：3D打印顱部結(jié)構(gòu)及植入物結(jié)構(gòu)示例

使用3D打印支架進(jìn)行生長因子和藥物遞送也是一大研究熱點(diǎn)。這種方法不僅相對于全身遞送所需劑量減少，副作用大大減輕，還可控制藥物的釋放模式。文中總結(jié)出：支架孔徑大小，連通性和幾何形狀是控制藥物負(fù)載以及體內(nèi)釋放速率的有效參數(shù)。

文中著重介紹了3d打印人工骨技術(shù)現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向，一針見血地指出來自粘合劑的殘余物在燒結(jié)過程中可能難以去除。能否獲得更高的精度和分辨率，制造更小的孔徑，取決于粉末特性和構(gòu)建參數(shù)。并且3D打印人工骨始終需要后處理，如在高溫下燒結(jié)或致密化。燒結(jié)過程中，整體收縮具有不均勻性，會(huì)導(dǎo)致零件大量開裂并使其無法使用。由于這一缺陷，使用3D打印真正模擬出前述松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨共存的結(jié)構(gòu)非常困難。另一個(gè)后處理挑戰(zhàn)是從零件內(nèi)的互連孔隙中去除松散的粉末，孔內(nèi)的殘留粉末可能與多孔部分燒結(jié)，使其與設(shè)計(jì)部分的相互連接較少，并進(jìn)一步減小燒結(jié)后孔的尺寸。

圖3： 基于3D打印人工骨支架的藥物釋放研究

由于能夠針對患者特定缺陷和特定臨床需求進(jìn)行定制，因此未來這一領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)的需求將不斷增加。針對人工骨3D打印，需要注意的最關(guān)鍵問題是多孔支架的機(jī)械性能。然而增加孔隙率將降低支架的強(qiáng)度，但使用可降解的聚合物滲透以增強(qiáng)這些支架的強(qiáng)度和韌性是解決該問題的一種方法。其次，印刷活細(xì)胞或添加生長因子/藥物治療將是另一個(gè)頗具前景的研究方向。文中最后指出，雖然目前的技術(shù)讓我們建立了與組織相似的結(jié)構(gòu)，但我們距離完全打印功能組織還有很長的路要走。在該方向上需要更多的過程-性質(zhì)優(yōu)化，體外和體內(nèi)研究、以繼續(xù)推動(dòng)骨組織工程的發(fā)展。

作者：李想
來源：  EngineeringForLife