論文：3D打印復合PVA骨組織工程支架研究現狀

來源：口腔疾病防治

作者：劉小元，張凱，韓祥禎，左新慧，李君，何惠宇，新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院（附屬口腔醫(yī)院）口腔修復科

近年來，3D打印復合多孔性骨支架已成為組織工程骨領域的研究熱點。由于3D打印復合聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）支架有良好的生物相容性，目前對其研究越來越多，本文將從骨組織工程支架3D打印技術、PVA、復合PVA支架在體內外骨形成效果等方面進行綜述。

1.骨組織工程支架3D打印技術

3D打印技術可以快速打印精確性及機械強度高、孔隙率及空間結構復雜的個性化骨組織工程支架，其通過材料的表面改性賦予支架與人體天然骨細胞外基質成分相似的性能，使其更加符合人體仿生學，為骨缺損修復提供新的方法，它可以根據缺損情況打印出大小、形狀及孔隙合適的個性化支架。目前，骨組織工程領域中最常用的3D打印技術有光固化成型（stereo lithographyap-pearance，SLA），選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS），熔融層積成型（fused deposition modelling，FDM），噴墨印刷（ink jet printing）、生物墨水（bioink）。SLA是由3D系統(tǒng)公司于1986年開發(fā)。

隨著3D打印技術的發(fā)展，它在生物醫(yī)學工程領域得到了廣泛的應用。SLA系統(tǒng)包括一個光敏液體樹脂罐、可移動的搭建平臺、紫外線（UV）激光照射樹脂及動態(tài)反射鏡系統(tǒng)。SLA采用紫外激光逐層制作感光液體樹脂材料制成三維支架，一旦樹脂材料一層完全固化在一個平臺上，平臺就會垂直下降，隨后大量液體材料覆蓋前一層，形成下一層。重復上述步驟，直至形成一個完整的三維部件。最后，將未固化的材料洗掉，骨支架在紫外光下進行固化。

骨組織工程中用SLA制作的支架材料包含聚合物、生物陶瓷及其復合材料等，SLA可利用上述材料制作具備生物降解性能的復合支架，如交聯設計的多孔性結構，能夠精確控制支架的孔隙、尺寸及結構，并具有較佳的力學性能。SLS技術于1986年在奧斯汀得克薩斯大學開發(fā)，1992年由DTM公司商業(yè)化。它利用一個CO2激光束將選定區(qū)域的材料粉末熔（或燒結）到粉末床表面形成材料層，第一層固化后，粉末層厚度降低一層，下一層的材料放置在床的頂部形成一個滾筒。重復此過程，直到零件完成為止，固體粉末作為結構載體，樣品的殘余粉末被去除。

FDM技術是1992年由Stratasys公司開發(fā)和商業(yè)化，FDM是將熔融和擠壓材料（通常是熱塑性聚合物）通過一個帶有小孔的可移動噴嘴在基板平臺上制造出了三維多孔性支架，被廣泛用于組織工程領域支架的制備。噴墨印刷又稱三維印刷（3D printing，3DP）是1989年麻省理工學院開發(fā)的噴墨打印技術之一。該技術通過在粉末床上的一層選擇性地噴涂液體粘合劑來創(chuàng)建一個復雜的三維固體物體，它將顆粒結合在一起形成一個固體層。然后降低粉末床，由滾筒將新的粉末層鋪在前一層的表面上。

重復此過程，直到得到預先設計的對象。隨著組織工程領域的研究發(fā)展，諸多科學家不斷嘗試將組織工程的三要素（種子細胞、生長因子及支架）進行不斷的融合，期望提高人造組織更好修復人體軟硬組織的缺損，從而創(chuàng)造性的發(fā)明了3D打印“生物墨水”技術。

生物墨水必須是生物相容性佳的凝膠，才能更好將細胞混合在凝膠中，從而更好打印出理想的支架，He等通過研究發(fā)現：①生物墨水必須具備黏度的可調性（比如通過溫度、剪切變細等特性），只有可調才能設計適合的打印方式及打印參數區(qū)間；②生物墨水在打印前要是液態(tài)的，以避免堵塞噴嘴，打印后要能迅速變?yōu)楣虘B(tài)以保持形狀；③擁有或找到針對該材料的打印窗口或工藝參數區(qū)間也非常重要。由于PVA凝膠的諸多優(yōu)點，在利用3D打印時可呈現液態(tài)，可能在未來有望成為3D打印的生物墨水。

2.3D打印復合PVA支架及其體外應用

利用3D打印技術制備出優(yōu)異的組織工程支架，往往離不開滿足生物學性能的優(yōu)質生物材料。PVA分子式為（C2H4O）n，是由聚醋酸乙烯脂水解而成的一種具有生物降解性的水溶性高分子，其分子鏈上含有大量羥基，因此具有良好的水溶性、成膜性、粘結性、熱穩(wěn)定性。同時，因其具備較好的機械性能、化學穩(wěn)定性、易于成型、無毒、無不良反應，以及與人體組織良好的相容性，所以其在生物醫(yī)學各個方面得到了廣泛的應用。

He等利用FDM技術構建三維煅燒羊椎骨-雙相陶瓷復合材料/PVA凝膠支架，在體外培養(yǎng)兔骨髓間充質干細胞，然后接種到通過3D打印獲得的滅菌骨支架上，通過毒性檢測、抗壓力試驗、三維孔隙分析，表明復合PVA支架具備上述一系列的優(yōu)點。所以PVA因其生物相容性、可降解性等因素，越來越多的研究將其用作骨組織替代材料。

因PVA具備良好的物理性能及化學性能。所以PVA復合膠原、甲殼素、馬鹿角粉及絲素蛋白（silk fibroin，SF）等天然高分子聚合物之后，可制作生物相容性良好的骨支架，因天然聚合物具有細胞識別信號（如某些氨基酸序列），利于細胞黏附、增殖和分化。PVA常復合人工合成多聚體材料，以聚乳酸、聚羥基乙酸及其聚乳酸-羥基乙酸共聚物為代表，聚乳酸和聚羥基乙酸已經通過美國FDA的批準，允許作為植入物。

趙小琦等利用FDM技術以15%PVA凝膠，分別混合鹿角粉、納米級羥基磷灰石（nano-hydroxyl apatite，nHA）打印出鹿角粉/PVA支架與n-HA/PVA支架，對其性能進行了分析，得出鹿角粉/PVA支架具有良好的機械力學性能及細胞相容性，可作為異種骨組織工程支架材料研究的新方向。丁劉闖等利用FDM技術在體外以SF/PVA凝膠體積比為1∶4的比例進行混合配成混合液及將nHA粉與SF/PVA凝膠混合液、15%PVA凝膠打印的SF/PVA/nHA支架與PVA/nHA支架的研究，得出PVA/nHA支架與SF/PVA/nHA支架具有良好的理化性能和細胞相容性，3D打印SF/PVA/nHA支架有更加優(yōu)良的孔隙率以及規(guī)則連續(xù)的支架結構。

周琦琪等使用15%PVA溶液，分別將nHA、羊椎骨粉與PVA溶液混勻，利用FDM技術3D打印成型，對其分析得出，3D打印羊椎骨粉/PVA支架具有良好的物理、化學性能及骨誘導性。Ngadiman等利用FDM技術和靜電紡絲技術制備了PVA/磁赤鐵礦組織工程支架，并進行了支架降解和細胞穿透試驗，表明復合PVA支架能夠降解并有利于人成纖維細胞的黏附生長。

復合PVA支架除在骨組織工程領域的研究之外，在其他諸多組織工程支架領域也均有涉及，在外周神經組織再生領域，Weller等將PVA水凝膠植入物用于拇指腕掌關節(jié)及神經導管用于數字神經修復。在血管再生領域，Pazos等優(yōu)化PVA水凝膠支架的拉伸性能，可匹配豬主動脈的根部。在組織缺損修復等領域，Costa-junior等制備PVA/殼聚糖交聯水凝膠，發(fā)現成纖維細胞在支架上的粘附性好，無毒，可作為組織缺損愈合的敷料。

3.3D打印復合PVA支架回植動物體內的效果

現在越來越多的研究經外科手術構建動物骨缺損區(qū)模型，采取3D打印方法制備個性化、精準化的骨組織工程支架，將體外構建的組織工程骨移植于骨缺損區(qū)，連續(xù)觀察一段時間，處死實驗動物，取出動物骨缺損區(qū)的新生組織，對其進行骨形成的分析，檢測一系列有關血管生成及骨形成指標。

Song等利用3DP打印技術打印納米雙相磷酸鈣（nano-biphasic calcium phosphate，BCP）/PVA/富含血小板的纖維蛋白（platelet-rich fibrin，PRF）支架，研究表明支架在體外對骨髓間充質干細胞的粘附、增殖和成骨分化的促進作用明顯優(yōu)于3D打印BCP/PVA支架。在兔體內，3D打印BCP/PVA/PRF支架在臨界大小的節(jié)段性骨缺損模型中相比BCP/PVA支架明顯有助于骨形成。

Somasundaram等利用SLS打印技術打印多孔性氧化石墨烯復合PVA支架回植動物體內，發(fā)現三維打印氧化石墨烯增強了支架的強度。同時，2.5%氧化石墨烯促進了成骨細胞增殖和分化。He等將3D打印羊椎骨粉/PVA支架植入兔子體內，表現出其良好的生物相容性。

張旭婧通過3D同軸（FDM）打印SF/PVA復合水凝膠，并與HA混合制備SF/PVA/HA復合支架回植動物體，經過支架的降解試驗及細胞毒性試驗分析表明，證明了3D打印SF/PVA及SF/PVA/HA復合支架的降解速率及成骨效能，其為骨組織工程支架為基礎的植入式載藥緩釋系統(tǒng)的研究和應用提供了一定的實驗依據。

3D打印PVA復合其他生物相容性高強度材料，可以增強機械應力，將有望成為組織工程骨修復臨床患者骨缺損的新型骨移植材料。目前，諸多復合PVA支架的研究還處于體外分析的早期階段，大量的體內研究還有待進行。前瞻性的體外和體內研究更有助于闡明復合PVA支架的實際應用價值及其誘導骨形成的作用機制。


來源：劉小元,張凱,韓祥禎,左新慧,李君,何惠宇.3D打印復合PVA骨組織工程支架研究現狀[J].口腔疾病防治,2020,28(01):52-55.