三维打印骨组织工程支架材料的研究进展

王悦

摘 要：三维打印快速成型技术的迅猛发展为许多领域带来了便利，引起了科学界的广泛关注。尤其是在生物医学领域，三维打印技术因其快速成型以及构建复杂形状的能力表现出无可比拟的优势。本文简要概述了不同种類的三维打印技术以及应用于三维打印的支架材料，并对其发展前景进行了展望。

关键词：三维打印；骨组织工程支架；金属材料；无机非金属材料；高分子材料

中图分类号：R683 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0193-02

1 引言

在日常生活中，由于意外事故、疾病创伤等容易造成骨折或骨缺损的病症。利用骨组织工程原理将支架材料移植到患者缺损的部位是一种有效的治疗方法。其基本原理是把相关的成骨细胞等种植于支架材料上，体外培养一段时间后，将其移植到骨缺损部位。支架材料能够逐步降解，同时又能够诱导新生骨的形成，从而达到修复骨缺损的目的。细胞、生长因子、支架材料是骨组织工程的三大基本要素，其中支架材料的选择与设计是研究的重点。传统制备骨组织工程支架的方法包括冷冻干燥法、粒子沥滤法等，但这些方法均难以控制支架的孔隙结构。

近年来，三维打印技术得到了迅猛发展，它实际上是一系列快速成型技术的统称。通过层层打印，逐层叠加的方式制备出具有复杂形状的三维实体。与传统的支架制备方式相比三维打印技术能够为病人量身定制结构复杂的支架材料，同时又能够精确调控内部孔隙与结构。因此，在骨组织工程支架材料制备领域展现出很大的应用前景，受到了研究人员的广泛关注。在本篇综述中，我们对三维打印技术的种类及成型原理进行简要概述，同时又详细介绍了可用于三维打印制备骨组织工程支架的材料。

2 三维打印技术的简要概述

三维打印是一项新兴技术，其基本原理是通过喷头在平面、垂直方向上的移动对材料进行层层加工、逐层叠加，形成三维打印实体。三维打印骨组织工程支架的一般步骤是：扫描患者的病变组织，收集三维打印所需数据，构建三维图像模型，把三维打印材料按照合适的厚度进行切片、堆积，最后得到三维多孔的支架[1]。目前，三维打印技术主要包括光固化立体印刷技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型、与细胞结合的三维生物打印技术等[2]。每种三维打印技术均有其优缺点与适用的材料。

2.1 光固化立体印刷

光固化立体印刷的主要原理是将具有光敏特性的液态材料表面进行紫外激光扫描，使液态材料发生光聚合反应后被固化。工作台也将调整高度进行逐层扫描，得到三维打印实体[3]。光固化立体印刷使用的原料主要包括光敏性树脂等，它打印的产品具有性能稳定、支架力学强度高、精度高等优点，但其缺点是适用的材料有限且成型后需要除杂等等。

2.2 选择性激光烧结

选择性激光烧结技术与光固化立体印刷原理相似，不同的是，选择性激光烧结是通过激光产生的高温使粉末状的原料表面变成熔融态后实现粘合。因此，其适用范围更加广泛。但与光固化立体印刷相比，其打印产品表面较粗糙，并且高分子材料在激光的高温作用下容易降解。

2.3 熔融沉积型

熔融沉积型是按计算机控制的路径将高温熔融态的材料挤出，经逐层沉积后得到所需的三维产品[4]。其优点是支架强度高、精度高，且无需除杂，缺点是在高温条件下，生物大分子的活性会降低，导致打印不能顺利完成。

2.4 与细胞结合的三维生物打印

与细胞结合的三维生物打印是三维打印技术中关注度最高的一种打印方式，它与以上几种打印方式不同。它可以直接打印出材料与细胞一体化的支架，这种支架具有更高且分布更均匀的细胞密度，但由于细胞对生存环境的要求极为苛刻，所以可适用的材料十分有限。

3 可用于打印的骨组织工程支架材料

3.1 金属材料

金属材料广泛应用于硬组织修复研究领域，它在力学强度、导电性及延展性等方面具有突出优势。金属材料打印首先需要实现金属粉末的熔合，再通过层层加工、逐层叠加得到三维打印实体。由于在高温或激光照射条件下，金属粉末更容易熔合，所以金属三维打印一般采用选择性激光烧结和光固化立体印刷的方式进行成型。目前应用于骨组织工程支架打印的金属材料主要有钛合金、不锈钢、钴铬合金和镁合金等。骨肿瘤科教授郭征带领的团队已经完成对患者肩胛带和锁骨钛合金假体的三维打印制备，并成功通过手术将钛合金假体植入到患者体内，这是世界范围内首例肩胛带不定形骨重建的应用，它标志着三维打印个体化金属骨组织修复技术的进一步成熟[5]。三维打印不定性骨组织植入假体与传统植入假体制备技术相比，三维打印个体化钛合金植入假体具有更高的匹配性且功能和外形也更能得到医生、患者的认可。然而，这项技术还难以实现平民化，由于金属材料价格昂贵，一定程度上会加大患者的经济负担。

3.2 生物医用无机非金属材料

生物医用无机非金属材料主要包括生物玻璃、羟基磷灰石等生物陶瓷材料。生物陶瓷材料具有强度高、硬度大、密度低、耐高温、耐腐蚀等特点，在骨组织工程领域有着广泛的应用。羟基磷灰石是人体骨组织的主要无机组成成分，广泛存在于人体的骨骼和牙齿中，具有很高的相容性与生物活性，目前常应用于齿科和骨组织再生工程领域。生物玻璃是目前被大量研究的生物陶瓷材料之一，其内部结构是呈无规则排列状态的硅酸盐分子，主要含有钠离子、钙离子、磷离子等几种金属离子。当它们在一定比例和特定的化学反应条件下，会生成含有羟基磷酸钙的仿生复合物[6]。生物玻璃也具有降解性和生物活性，能够诱导骨组织的再生。科学家曾用生物玻璃制备出猴子的大腿骨，将其植入猴子体内，一段时间后发现生物玻璃与再生的猴子大腿骨细胞能够紧密结合，而且力学实验的结果表明，相较于原生骨，人造骨表现出更加优异的力学性能[7]。由此可见，生物玻璃具有良好的生物相容性以及优异的力学性能，在骨组织工程的研究中具有很广阔的发展前景。

3.3 高分子材料

近年来，生物高分子材料可谓异军突起，成为发展最快的医学材料。目前应用于骨组织工程支架领域的高分子材料主要有聚乳酸、聚己内酯等。聚乳酸是一种热塑性脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性和生物降解性。Yamada等人通过熔融沉积技术打印出三维多孔的生物支架，且实验结果表明该支架无毒且具有生物降解性[8]。聚己内酯是一种半晶型高聚物，在被加热时表现出优异的流变性能，这使其成为以熔融沉积型为原理的打印机中最主要的材料之一。聚己内酯在体内能够逐步降解，且副产物安全无毒，在骨组织支架研究领域以及医学领域必将发挥出更大的作用[9]。

4 结语

三维打印骨组织工程支架材料具有生物相容性好、免疫排斥反应低、精度高等优点，是一种可行性极高的新型技术。但目前利用三维打印技术制造骨组织工程支架还处于研究发展阶段，缺少临床应用经验，打印材料的研发也还不够成熟。不过，三维打印骨组织工程支架在将来必定会有很大的突破和进展，并为医学领域做出突出贡献。

参考文献

[1]Leong KF，Cheah CM，Chua CK.Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for engineering replacementtissues and organs.Biomaterials，2003，24：2363-2378.

[2]賀超良，汤朝晖，田华雨，等.3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展[J].高分子学报，2013，6：722-732.

[3]Shin JH，Lee JW，Jung JH，et al.Evaluation of cell proliferation and differentiation on a poly（propylene fumarate） 3Dscaffold treated with functional peptides， J Mater Sci，2011，46：5282-5287.

[4]田冶，曾庆慧，胡相华，等.3D打印技术及在组织工程领域的研究进展[J].中国医疗器械信息，2015，（8）：9.

[5]裴延军，吴智钢.世界首例3D打印金属锁骨和肩胛骨植入手术在西京医院成功实施[J].生物骨科材料与临床研究，2014，（3）：34.

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[7]孙慕松，宫俊霞，宋文植.3D打印技术在生物医学领域的应用[J].世界复合医学，2015，（2）：115.

[8]Yamada A，Niikura F，Ikuta K.Three-dimensional microfabrication system for biodegradable microdevices with high-resolution and bio-applicability.Bioeng Div Asme.2005；57：57-62.

[9]杨延慧，严涵，康晓梅，等.聚己内酯的应用研究进展[J].化工新型材料，2011，（12）：14.