三维打印生物医用材料在骨组织工程领域的研究进展

三维打印技术由于其成型快速、可操控性强以及构建复杂形状的能力，在骨组织工程领域表现出无可比拟的优势，受到了研究者们越来越多的关注。本文对三维打印技术进行了简要概述，重点介绍了适合三维打印的生物材料，并对其发展前景进行了展望。

三维打印技术近年来得到了迅猛发展，它实际上是一系列快速成型技术的统称。其打印原理简单来说是采用分层加工、叠加成型的方式，即通过材料的精确逐层堆积从而快速制备形状复杂的三维物体[1]。利用三维打印技术既可以制作标准模型，也可以为病人量身定制结构复杂的手术支架等。通过计算机断层扫描（CT）或者核磁共振（MRI）等医学成像技术对病人骨缺损部位进行扫描得到所需要的支架模型，随后通过三维打印机制备成型，这是传统的成型技术难以实现的[2]。近年来，三维打印技术在生物医学领域内取得了广泛应用，尤其在骨组织工程领域，三维打印技术由于其可量身定制性，结构和孔隙可控性以及可复合多种材料等特性受到了研究人员的广泛关注。

骨组织工程的基本方法是将分离的高浓度成骨相关细胞等，经体外培养后种植于天然的或人工合成的，具有良好生物相容性并可被人体逐步降解吸收的生物医用支架上。这种医用支架可为细胞提供生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质，排泄代谢产物，并且能够按预制形态生长等。然后将这种细胞与生物材料的复合体植入骨缺损部位，在材料逐步降解的同时，种植的骨细胞不断增殖，形成新骨，进而达到修复骨缺损的目的[3]。

在本篇综述中，我们详细介绍了骨组织工程领域内目前可用于三维打印的生物材料。同时由于不同的打印机能够打印的生物材料不尽相同，所以我们也对三维打印机的种类及成型原理进行了简要概述。

三维打印技术简要概述

目前市场上主要有熔融沉积式、立体平板印刷、选择性激光烧结、直接浆料挤压等技术可满足组织工程中支架材料打印的相关需要。

光固化立体印刷技术

光固化立体印刷技术是通过特定波长与强度的激光聚焦到液态的光固化材料表面，使之按由点到线，由线到面的顺序凝固，完成一个层面的绘图作业。随后工作台下降一个凝胶层厚度，进行下一层的扫描加工，层层叠加构成所需的三维实体[4]。其优点在于打印精度高，但其成型后需要清洗去除杂质，且仅适用于具有光敏性的高分子材料，不能打印细胞、活性物质等，限制了其更广泛的发展。

熔融沉积技术

熔融沉积法是通过三维喷头将熔融态的丝状热熔性材料按计算机控制路径挤出、沉积、并凝固成型。所使用的原料通常为热塑性高分子材料，包括聚乳酸、聚己内酯、聚丙烯等。其优势在于制造简单、成本低廉，且未使用溶剂或者其他添加剂，所以成型后不需要后续的去除杂质的步骤。但其要求材料首先能够被制备成细丝状，且能够在固液态之间迅速转变。并且打印温度较高（通常情况下温度达到200℃），高温可能会破坏原材料的化学成分以及生物活性，限制了其在生长因子、蛋白质、细胞打印等方面的应用[5]。

选择性激光烧结技术

选择性激光烧结技术是利用激光束将粉末状的原料经过逐层扫描、熔融、粘结、固化后得到三维实体材料。其原料来源广泛，高分子材料、陶瓷粉末、金属粉末等都有可能通过激光燒结成型，而且加工速度快、无需使用支撑材料，但其缺点在于成本较高，需要使用大量材料，打印产品的表面较粗糙，并且激光的高温作用会对生物材料的化学性质造成破坏[6]。

直接浆料挤压法

直接浆料挤压法，其原理类似于喷墨打印机，是将料筒中粘性流动状态下的浆料按计算机控制路径挤出、凝固成型，根据逐层打印、层层叠加的原理，得到三维实体材料。可直接将聚合物材料溶解在有机溶剂中，制成聚合物溶液墨水进行打印。也可将陶瓷粉末、金属粉末等与聚合物溶液混合，进行打印。其优势在于能够复合多种材料进行打印，且打印精度高。但有机溶剂的使用对生物材料的性能可能会造成一些影响，而且成型后需要将其彻底去除[6]。

用于三维打印的生物材料

高分子类生物材料

生物医用高分子材料具有非常优异的加工性能，可适用于多种打印模式，并且具有良好的生物相容性和降解性，使得其成为三维打印生物材料中的主力军。目前最受研究者青睐也是被应用最多的三维打印高分子材料是可降解的脂肪族聚酯类材料，如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）等。

聚乳酸是一种线型热塑性脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性和生物降解性。聚乳酸由于其价格低廉、成型方便、无毒且可降解性，在骨组织工程领域有很大的应用前景。但聚乳酸的降解是由酯键水解实现的，同时由于乳酸的释放导致了周围体液环境中PH值的下降。这些酸性副产物易引发组织炎症及细胞死亡[7]。

聚己内酯是一种半结晶型高聚物，在被加热时表现出优异的流变性能以及粘弹性[8]，这使得其成为以熔融沉积为原理的打印机最主要应用的材料之一。聚己内酯在体内能够稳定存在长达6个月，随后在逐步降解，且副产物对人体无毒无害。

生物医用陶瓷材料

生物陶瓷具有高强度和与自然骨相接近的矿物相，在生物医学领域应用很广，尤其是骨科和牙齿塑形方面。大部分三维打印的生物医用陶瓷材料是模拟自然骨的矿物相、结构以及机械性能。

羟基磷灰石因化学成分与自然骨的无机物质非常相似，具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性，因而成为目前在人工骨修复领域中临床使用最广的一类钙磷生物陶瓷。有研究者制备出羟基磷灰石基的支架，其孔隙率达到70%，将成骨诱导细胞培养在支架上，能够粘附、增殖与分化，表明了支架在临床应用上的可行性[9]。

另外一个在三维打印中应用很广泛的磷酸钙粉末是α和β相的磷酸钙。磷酸三钙，化学式为Ca3（PO4）2，简称TCP。是一种白色晶体或无定形粉末，磷酸三钙具有良好的生物相容性、生物活性以及生物降解性，是理想的人体硬组织修复和替代材料，在生物医学工程学领域一直受到人们的密切关注。很多研究团队尝试用聚合物溶液作为β-TCP的粘结剂，以提高复合支架的粘结性能。比如，β-TCP与PCL结合提高其内部的粘结性及力学性能。同时在其表面添加药学试剂阿伦磷酸钠的涂层，在体内实验中亦可提高其伤口愈合能力[10]。endprint

生物玻璃是内部分子呈无规则排列状态的硅酸盐的聚集体，材料中的组分可以同生物体内的组分互相交换或者反应，最终形成与生物体本身相容的物质。研究者通过细胞和动物实验对生物活性玻璃进行了一系列研究，发现生物玻璃具有优越的自降解性能，其离子产物可以增强成骨细胞的增殖分化和激活成骨基因的表达[11]。

复合材料

3D打印最初的焦点在于打印纯的金属材料或者聚合物材料，但随着技术的发展，复合浆料的打印发展越来越迅速。使用复合浆料的主要目标便是提高浆料的性能，比如成型性、打印性、机械性能（强度）、生物活性（提高细胞功能以及组织整合性）。

聚乳酸是聚合物材料中最常使用的聚合物材料。正如上文提到的，聚乳酸没有生物活性，它允许细胞黏附，但却不能支持细胞活性。因此在聚乳酸基底中添加具有生物活性的陶瓷材料是很常见的方法。例如，在聚乳酸基底中添加生物活性的磷酸钙玻璃，溶解在氯仿中形成生物浆料，通过DIW打印方法制备骨组织工程支架。将间质干细胞培养在其表面，可控地提高了细胞的黏附性，在体内有更好的迁移和治愈响应。生物活性玻璃的添加改变了复合支架的化学和表面形态，更有利于细胞分化[12]。

为了提高支架的力学性能和灵活性，羟基磷灰石和聚乙烯醇的水溶液复合支架被打印出来，随后进行了干燥和烧结。这些支架具有多孔结构，并且强度达到了人体松质骨的最低要求。PVA不需要太高的烧结温度，并且能使支架层与层之间粘结更紧密，使得最终的支架更坚硬且易于控制。有研究结果表明，支架的孔隙和几何形状对支架的性能表现也会有一定影响，而且能够促进HA陶瓷加速愈合[13]。通过三维打印技术将羟基磷灰石与聚合物混合，赋予其足够的孔隙能够打印出很好的人工骨支架，并且某一天也许能够和自体骨移植相媲美。

三维打印骨组织工程支架材料的发展前景

随着机械系统以及软件行业的发展，三维打印在其分辨率、精确度、速度和自由性方面都有了很大提高。作为结果，三维打印一直是制备硬组织及软组织工程支架的牵引力。但目前能够生物降解的聚合物生物材料仍然寥寥无几，且其成型性、降解性和力学性能都不容易单独调控。目前来看，这些材料不能被修饰。他们现在被用作间距填充用处，可以满足细胞基本的吸附，但不具有生物活性。因此未来几十年内，最大的挑战还是寻找新颖的能够生物降解的聚合物浆料，同时可调节其用途和性能。

参考文献

[1]曹雪飞，宋朋杰，等.3D打印骨组织工程支架的研究与应用[J].中国组织工程研究，2015，19（5）：4076-4081.

[2]陳扼西.快速原型技术及其在我国的发展[J].集美大学学报（自然科学版），2001，6（4）：340-344.

[3]毛天球，陈富林，杨维东，等.骨组织工程的研究进展[J].中国组织工程研究与临床康复，2010（16）：5-7.

[4]罗文峰，杨雪香，等.生物医用材料的3D打印技术与发展[J].材料导报，2016（30）：6.

[5]徐文峰，欧媛，董玉.组织工程三维多孔支架制备方法[J].重庆文理学院学报（自然科学版），2010，29（2）：47-50.

[6]王韵晴，卢婷利，赵雯，等.骨组织工程支架材料研究进展[J].材料导报A（综述篇），2011，25（2）：125-131.

[7]朱惠光，计剑，高长有，等.聚乳酸组织工程支架材料[J].功能高分子学报，2001，14（4）：488-492.

[8]艾合麦提-玉素甫，陈统一，陈中伟，等.可降解聚己内酯修复骨缺损的实验研究[J].中国修复重建外科杂志，2005，19（6）：439-442.

[9]Sears NA， Seshadri DR， Dhavalikar PS，Cosgriff-Hernandez E. A Review of Three-Dimensional Printing in Tissue Engineering. Tissue Eng Part B-Re. 2016（22）：298-310.

[10]杨春蓉.骨组织工程支架研究现状及面临的问题[J].中国组织工程研究与临床康复，2009，13（8）：1529-1532.

[11]徐浩，闫玉华.纳米生物医用陶瓷的应用及展望[J].佛山陶瓷，2006（3）：35-38.

[12]Choi G， Kim S. Adaptive modeling method for 3-D printing with various polymer materials. Fiber Polym.2016（17）：977-83.

[13]马婷婷，王春梅.骨组织工程研究进展及对其临床应用的展望[J].整形再造外科杂志，2006，3（2）：114-118.

（作者简介：姚皓文，郑州市第101中学。）endprint