3D打印植入體功能化改性在硬組織替換領域的研究進展

來源：Regenerative Biomaterials

3D打印技術在骨組織工程中具有很好的應用前景，但是考慮到打印材料存在較差的力學強度、血管化不足和骨整合性不強等缺點，對打印材料的功能化改性可以提高其理化性能和生物學活性，滿足硬組織缺損修復的需求。本綜述概述了在硬組織替換領域3D打印材料的功能化改性策略，從3D打印技術、打印材料（金屬、陶瓷和高分子材料）的特點、在硬組織替換領域（骨、軟骨、關節(jié)）改性方法和應用等方面予以回顧。

伴隨著社會的老齡化加劇，因先天畸形、感染、外傷及腫瘤等因素導致骨缺損是骨科及頜面外科最常見的問題，不僅影響患者的生理功能，甚至危害患者的心理健康。雖然骨組織具有強大的自我修復能力，但當骨缺損范圍達到“臨界骨缺損長度”，需要外科重建手術及骨移植替代材料的植入等方式進行干預。自體骨或異體骨移植作為目前主要治療骨缺損修復的方法，雖然成骨效果確切，但存在供體來源有限、供區(qū)并發(fā)癥和免疫排斥等問題，其應用受到一定的限制。因此開發(fā)或改進適用于臨界骨缺損的高性能骨移植替代材料是骨組織工程中的研究熱點。

3D打印技術，又稱“增材制造”，是二十世紀八十年代中期發(fā)展起來的一種新型材料成形技術。在硬組織替換領域，相比傳統(tǒng)鍛壓、鑄造、車削等制造方法，3D打印可以通過計算機設計實體的內部結構和外部形態(tài)，通過不同材料單元的層層堆積，制造出復雜結構、形狀和功能的三維實體。金屬、陶瓷和高分子為主要的打印材料，當打印材料植入后，材料的表界面的性能可以直接影響細胞粘附、增殖和分化。除此之外，3D打印過程中或打印后復合仿生涂層也可以賦予支架材料多種生物學功能，滿足硬組織缺損替換的需求。

一、3D打印技術
美國材料試驗協(xié)會對增材制造的定義：與“去除型”制造方法不同，通過增加材料以3D模型數(shù)據(jù)為基礎，采用層層堆積得三維實體模型的制造方法。根據(jù)生物醫(yī)藥領域應用的不同需求，3D打印主要分為：無細胞（cell-free）打印技術和含有細胞（cell-laden）的生物打印技術；根據(jù)打印原理不同，3D打印技術分為：粉床成型（powder-based）噴射成型（inkjet）、擠出成型（extrusion）和光固化成型（photopolymerization）（圖1）。

圖1 常見3D打印技術的模式圖

（A: SLS; B: SLM; C: EBM; D: DED; E: FDM F: SLA: G: DLP）

二、金屬材料及其功能改性
金屬作為最常見的一種打印材料，其抗腐蝕性、疲勞強度、沖擊韌性在硬組織替換領域（尤其是骨科和頜面外科）尤為重要。此外，應力屏蔽效應也是在金屬植入體應用需要考慮的問題之一。本部分首先介紹了3D打印常用的金屬材料，如鈷鉻、鈦、鉭和鎂等。對金屬材料的改性主要分為打印后處理（如打印后熱處理、直接金屬激光燒結等）、物理化學改性和表面涂層，其中鈣基涂層（Calcium-based coating）可以在植入體與骨組織之間形成骨性結合，是金屬植入體最常見的改性方法之一。但值得注意的是，大部分鈣基涂層針對于種植體的表面性能，而忽略了多孔種植體的內部孔結構�？紫秲炔康墓侵踩胄阅埽˙one in-growth）也是評價植入材料成骨誘導活性的重要指標之一。因此本部分從3D打印的實心和多孔種植體的不同角度介紹了鈣基涂層改性方法（圖2和圖3）。最后本部分介紹了常見的聚合物涂層及相應的改性方法。

圖2 鈣基涂層常見的改性方法

圖3 鈣基涂層修飾3D打印多孔鈦植入體。

（A：經過MAO處理的Ti6Al4V多孔植入體內外表面形成均一氧化鈦涂層，其中內表面厚度為4.4 μm,外表面厚度為4.8 μm；B：在使用多巴胺預處理的鈦植入體內表面沉積一層羥基磷灰石涂層，可以顯著促進細胞粘附；C：利用改性殼聚糖和原位礦化的碳酸鈣在多孔鈦植入體內外表面沉積具有成骨誘導活性的鈣基涂層）

三、陶瓷材料及其功能改性
相比于金屬材料，生物陶瓷材料因其固有的生物相容性和成骨誘導活性在硬組織替換領域更加具有前景。對于3D打印陶瓷材料的功能改性主要分為結構改性（Structural modification）、外表面功能化（External surface functionalization）和離子置換（Ion substitution）。結構改性是指通過對多孔結構的孔形貌、方向、大小和分級結構等進行優(yōu)化，模擬天然骨組織的結構，最大程度滿足修復骨缺損的需求。外表面功能化是指通過物理吸附或公價結合等方法將活性蛋白、多肽或藥物等富集到植入體表面進而發(fā)揮其生物學功能，其中負載黑磷、氧化石墨烯或四氧化三鐵等納米顆粒的生物陶瓷可以通過外源性刺激（光、磁等）選擇性殺傷腫瘤細胞并原位修復骨缺損，受到學者越來越多的關注。與外表面功能化不同，離子置換一般是在打印前準備好的“墨水”中，加入不同功能的金屬離子（如鐵、銅、錳、鍶等），通過3D打印技術可以得到均一分布且不易降解的功能化支架材料（圖4）。

圖4 離子置換在3D打印陶瓷材料中的應用

四、高分子材料及其功能改性
高分子材料一般是重復且統(tǒng)一的小基團通過共價結合按照特有順序排列而成，根據(jù)材料來源不同，主要分為天然高分子和合成高分子材料，對于高分子材料的功能化改性主要集中在其內部的官能團。本部分內容首先介紹了在硬組織替換領域常用的高分子材料，如海藻酸鈉、明膠、透明質酸、殼聚糖、聚己內酯、聚乙二醇和聚醚醚酮等。光響應性水凝膠是一種廣泛應用的3D打印材料，引入的光敏基團（主要為甲基丙烯酸酯）可以與高分子材料中的化學官能團（如羧基、羥基、胺基等）結合，在適當波長的光照下固化，進而發(fā)揮其功能。溫度響應性聚合物PNIPAm也可以與透明質酸水凝膠復合，在在促進軟骨分化中發(fā)揮重要作用。

相對于金屬和陶瓷打印材料，高分子材料（尤其是天然高分子）的優(yōu)勢之一是3D生物打印，即將活細胞與具有生物活性水凝膠共同打印。此外，針對于天然高分子材料力學性能不足的特點，通過多噴頭打印將其與合成高分子材料復合打印的方法已經方法應用與硬組織替換領域。

圖5 功能化高分子水凝膠改性的應用

圖6 高分子材料通過多噴頭打印技術在硬組織替換領域的應用。

（A：同軸雙層噴頭打印具有復合結構的材料；B：多入口/單出口的擠出式打印機制備多種材料復合支架；C：Y型通道的微流體系統(tǒng)打印復合支架；D：合成高分子F-127、生物陶瓷及海藻酸鈉水凝膠通過同軸打印技術制備復合支架）

五、挑戰(zhàn)與展望
3D打印的個性化植入體具有精細的微觀結構，廣泛應用于硬組織工程中，但仍存在一些問題：如3D打印的植入體與天然骨組織結構仍有較大差距；3D打印植入體力學性能與臨床需求不匹配；3D打印植入體在復雜骨缺損中的應用尚處于初級階段。因此本綜述首先對于金屬植入體的生物惰性，從物理/化學改性提高金屬植入體表面粗糙度、硬度、親水性等方法進行回顧。此外，生物活性涂層（鈣基和高分子涂層）的應用可以提供仿生微環(huán)境，提高植入后細胞的應答反應（粘附、增殖和分化等）。針對于固有成骨活性的3D打印陶瓷材料，我們從仿生設計和提供光熱、抗菌、抗腫瘤等多功能的角度進行概述。最后，本文論述了以對高分子材料化學官能團改性為核心的3D打印高分子水凝膠在硬組織工程中的應用。盡管功能化的3D打印材料已經取得了一些列成果，但大部分改性材料仍處在基礎或臨床前期階段，距離臨床轉化仍有一段距離。我們期待通過通過多學科合作研發(fā)的下一代生物材料可以廣泛應用于臨床，滿足個性化缺損修復。

課題組簡介
通訊作者：
In-seop Lee教授是國際生物材料與組織工程領域的資深專家，主要從事功能性生物材料、納米生物材料、生物材料的表面修飾以及再生醫(yī)學等方面的研究工作，在這些領域有著非常強大的專業(yè)背景以及20多年的長期工作積累，主持及參與多項“韓國國家研究基金會”重大研究課題，以及中韓國家科技合作項目；在國際學術期刊上發(fā)表學術論文140余篇，他引4230余次，H因子為41；同時他還完成了多部著作以及著作章節(jié)的撰寫；申請并授權發(fā)明專利12項，其中科技成果產業(yè)化1項；2012.01-2014.12擔任韓國生物材料學會副主席，是生物醫(yī)用材料領域的尖端人才。同時，In-Seop Lee教授積極參與國際學術研討與交流。在第10屆世界生物材料大會上（2016.05.17-22，蒙特利爾，加拿大），In-Seop Lee教授被推選為世界生物材料科學與工程學會聯(lián)合會（IUSBSE）終身會士（fellow）；他是韓國生物材料協(xié)會（KSFB）終身學術顧問；曾擔任“Biomedical Materials”雜志主編；并多次受邀出席國際知名學術會議及論壇，完成大會報告50余次。他曾在2003年獲得韓國最佳專利獎（Suk Yeong Ji Award）。近年來，In-Seop Lee教授致力于中韓兩國科研學術交流，擔任中國多所高等院校的客座教授，并主辦中韓生物材料與納米技術研討會數(shù)十次；同時，他還致力于兩國間產學研一體化的交流與合作，已引薦韓國上市公司Dentium Co., Ltd落戶杭州經濟技術開發(fā)區(qū)；促成浙江理工大學、延世大學、Dentium三方合作，在浙江理工大學共建聯(lián)合研究中心--“ZSTU-Dentium Joint Research Center of Biofunctional Materials and Regenerative Medicine（2013.11-至今）。2022年In-Seop Lee教授獲得國家級人才項目。

原文信息
Cen Chen, Bo Huang, Yi Liu, Fan Liu, In-Seop Lee*, Functional engineering strategies of 3D printed implants for hard tissue replacement, Regenerative Biomaterials, Volume 10, 2023, rbac094, https://doi.org/10.1093/rb/rbac094

原文鏈接
Functional engineering strategies of 3D printed implants for hard tissue replacement  | Oxford Academic (oup.com)
https://academic.oup.com/rb/arti ... /rb/rbac094/6845458