3D打印用于骨缺損治療的研究進(jìn)展

來(lái)源：上海貝奧路

骨缺損是臨床上常見(jiàn)的一類疾病，具有手術(shù)難度大、治療周期長(zhǎng)、并發(fā)癥多等特點(diǎn)，如何快速有效促進(jìn)骨缺損修復(fù)是臨床醫(yī)師面臨的巨大難題。對(duì)于骨缺損，目前的治療手段主要以手術(shù)治療為主，包括牽引成骨、骨移植技術(shù)等。近年來(lái)，3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文對(duì)3D打印在骨缺損治療方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述，并對(duì)具有研究前景的3D打印組織工程支架做重點(diǎn)介紹。

3D打印在骨缺損修復(fù)手術(shù)前的應(yīng)用隨著材料工程和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行三維重建，根據(jù)個(gè)性化模擬制造出大小、形態(tài)完全一致的實(shí)體三維模型，應(yīng)用骨缺損修復(fù)中的術(shù)前診斷和手術(shù)模型，直接或間接地提高了手術(shù)精準(zhǔn)度。

3D打印骨植入材料修復(fù)骨缺損

臨床常用骨植入物
自體骨移植：自體骨移植是骨缺損修復(fù)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，因?yàn)樗鼡碛兴�需的所有特性，同時(shí)保留了完全的組織相容性。由于生長(zhǎng)因子的存在，它具有成骨性和骨誘導(dǎo)性，明顯的組織相容性，可以提供結(jié)構(gòu)上的支持，并含有活的成骨細(xì)胞，且不會(huì)傳播疾病。使用自體骨移植的缺點(diǎn)是其供應(yīng)量有限，且大量使用自體骨移植容易發(fā)生骨質(zhì)吸收。采集自體骨會(huì)增加時(shí)間和失血量，并且可能需要全身麻醉，從而增加了手術(shù)的難度。供體部位可能發(fā)生包括感染、長(zhǎng)時(shí)間的傷口引流、再次手術(shù)、持續(xù)6個(gè)月以上的疼痛和感覺(jué)喪失等并發(fā)癥。

異體骨移植：異體骨來(lái)源豐富，形態(tài)大小不受限制，現(xiàn)較為廣泛的用于臨床。但異體骨組織相容性低，存在排異反應(yīng)，并且完全依賴宿主細(xì)胞侵入成骨，而大塊異體骨深部再血管化非常緩慢，往往成為死骨，還有較高的再骨折發(fā)生率，已證實(shí)在長(zhǎng)期使用中有大量的失敗記錄。

3D打印個(gè)性化定制體內(nèi)假體植入物
骨缺損的重建方式包括異體骨植骨、自體骨植骨、假體修復(fù)等，其中假體修復(fù)具有外形美觀、能夠?qū)崿F(xiàn)早期活動(dòng)、穩(wěn)定性好、功能恢復(fù)好等優(yōu)點(diǎn)。

3D 打印在大段骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用
大段骨缺損是由先天性缺陷、外傷、感染和骨腫瘤造成的，在康復(fù)期會(huì)導(dǎo)致延遲結(jié)合或不結(jié)合。在大段骨缺損的治療中，3D打印發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。多例病患臨床資料表明3D打印假體在重建骨腫瘤切除導(dǎo)致的大段骨缺損中是可行的，術(shù)后功能良好，且并發(fā)癥少；3D打印假體植入可實(shí)現(xiàn)骨骼解剖重建與生物力學(xué)穩(wěn)定重建，采取有效的干預(yù)措施可減少患者術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生；原位3D打印機(jī)器人可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行人工骨組織工程植入，且術(shù)后恢復(fù)效果好，在臨床應(yīng)用方面有很大前景。

3D打印多孔支架
骨組織工程學(xué)是一門利用支架植入細(xì)胞或加入生物活性生長(zhǎng)因子促進(jìn)骨修復(fù)和再生的學(xué)科，其主要研究?jī)?nèi)容包括支架材料、種子細(xì)胞、成骨因子等多個(gè)方面。骨組織工程支架除了滿足機(jī)械、結(jié)構(gòu)上的要求，還必須滿足生物學(xué)所需的特性。為了克服這些限制，金屬材料、聚合物材料或生物活性陶瓷材料可以組合在一起構(gòu)建出復(fù)合材料，這些復(fù)合材料可以滿足各種要求的支架，包括生物相容性、生物降解性、骨導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度等。

金屬支架
金屬因其良好的生物相容性、較強(qiáng)的耐疲勞性及優(yōu)異的力學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于骨組織工程，目前常見(jiàn)的金屬支架材料包括鈦及其合金、鈷、鎳合金等。在所有金屬材料中，鈦及其合金是目前應(yīng)用最廣泛的金屬支架材料。因其良好的生物相容性、可靠的機(jī)械性能和耐腐蝕性被廣泛用來(lái)制造骨科內(nèi)植物支架。同樣具有生物可降解性的金屬還有鎂。研究表明，與其他金屬植入物相比，鎂合金具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量等物理性能，更接近天然人骨，并且還有優(yōu)秀的促成骨能力。

生物陶瓷支架
生物陶瓷材料含有金屬和非金屬成分，它具有良好的生物相容性、適當(dāng)?shù)纳�物降解性和�?nèi)在的骨誘導(dǎo)能力，并且其化學(xué)性質(zhì)與骨相似，具有較高的抗壓強(qiáng)度和較低的延展性，而被廣泛用于3D打印。常用的生物陶瓷材料包括羥基磷灰石、β-TCP、硅酸鈣、雙相磷酸鈣、磷酸鎂、氧化鋁、氧化鋯等。磷酸鈣是天然骨組織的主要成分，已被證明能刺激干細(xì)胞和骨祖細(xì)胞的成骨。磷酸鈣衍生物釋放的磷酸鹽離子在誘導(dǎo)干細(xì)胞成骨分化中起關(guān)鍵作用。β-TCP 是常見(jiàn)的磷酸鈣材料，因其良好的生物降解性常被用于骨再生。

聚合材料支架
聚合物已被廣泛用作制造組織工程支架的生物材料，其可以是天然的，也可以是合成的。天然聚合物，如纖維蛋白、透明質(zhì)酸、殼聚糖和膠原蛋白，表現(xiàn)出與人體的小分子成分相似的結(jié)構(gòu)，具有較高的生物相容性、優(yōu)異的生物降解性、骨傳導(dǎo)性和低免疫原性。與天然聚合材料相比，合成聚合材料具有更好的機(jī)械強(qiáng)度、更高的可加工性和可控的降解速率，并且降解產(chǎn)物的毒性低，可以實(shí)現(xiàn)完全代謝，這些合成聚合材料包括聚乳酸、聚乙醇酸、聚己內(nèi)酯、聚乙二醇、PLGA等，并且可以利用這些可控的性質(zhì)針對(duì)特定需求及應(yīng)用制作定制化支架。

復(fù)合支架
復(fù)合材料由兩種或兩種以上具有不同性能的材料組合而成，每種材料只顯示一些優(yōu)點(diǎn)和特定的缺點(diǎn)。這種組合可以是共聚物、聚合物-聚合物共混物或聚合物-陶瓷復(fù)合材料的形式。因?yàn)槿梭w骨是由無(wú)機(jī)HA 晶體和有機(jī)膠原纖維混合制成的復(fù)合材料，所以在眾多復(fù)合支架中，聚合物-陶瓷復(fù)合材料在仿生方面更具優(yōu)勢(shì)。將由PCL和β-TCP 組成的3D打印復(fù)合支架植入兔股骨頭的裂隙中，與對(duì)照組相比，復(fù)合支架具有更高的促進(jìn)新骨向內(nèi)生長(zhǎng)能力，這種3D打印的β-TCP/PCL 支架可能是一種用于治療早期股骨頭壞死的很有前景的可吸收植入物。

總結(jié)與展望
在骨缺損修復(fù)領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)應(yīng)用廣泛，主要包括術(shù)前規(guī)劃、模擬手術(shù)，從而降低手術(shù)難度、縮短手術(shù)時(shí)間、減少手術(shù)創(chuàng)傷、促進(jìn)術(shù)后恢復(fù)。3D打印的內(nèi)植物或假體可以解決部分異體骨或自體骨難以解決的大塊、復(fù)雜型骨缺損的修復(fù)問(wèn)題。3D打印技術(shù)制備組織工程支架是一個(gè)正在快速發(fā)展的研究領(lǐng)域。隨著未來(lái)新技術(shù)和生物材料的出現(xiàn)，同時(shí)微結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，最終這些3D打印的組織工程支架可能是讓骨缺損患者有機(jī)會(huì)改善生活質(zhì)量的關(guān)鍵。

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