3D打印生物组织工程支架的应用研究

刘晓飞 张堃 张宁

摘  要：3D生物打印组织工程领域具有巨大的潜力，三维立体光刻技术因其精度高、细胞可植入等特点尤其适用于生物支架的制备，文章分析了软组织工程支架的关键性能，介绍了三维立体光刻技术在软组织工程中的应用。

关健词：3D打印;组织工程;工程支架;机械性能

中图分类号：TP391         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）09-0187-02

Abstract： 3D printing of biological tissue engineeringhas great potential in the field of tissue engineering. Three-dimensional lithography is especially suitable for the preparation of biological scaffolds because of its high precision and cell implantability. The key performance of soft tissue engineering scaffold is analyzed in this paper. The application of three-dimensional lithography in soft tissue engineering is introduced.

Keywords： 3D printing; tissue engineering; engineering scaffold; mechanical properties

前言

由于人類每年面临的肌肉骨骼、心血管和结缔组织损伤和替换的数量，软组织支架引起了人们极大的兴趣。由于不同类型的软组织在大小、形状和强度上的差异，准确地替换或修复这些组织是具有挑战性的。随着立体光刻等先进加工技术的发展，支架分辨率控制到毫米级是可以实现的，同时还可以定制每个预制支架以匹配目标替换组织。将先进的制造技术与聚合物性能相匹配，并保持适当的化学、生物和机械性能来进行组织置换，是一项极具挑战性的工作[1-2]。

三维（3D）打印是一种制造技术，允许对构建的脚手架的结构和尺寸进行精确控制。在微/纳米尺度上控制特征尺寸的能力是可以实现的，并且取决于3D打印技术。立体光刻（SLA）是一种常见的3D打印工艺，与其他增材制造技术相比，它可以更好地控制组织支架的尺寸和特性。精确控制体系结构的能力所制备的支架无论是构建可重复的同种支架还是制备特定于患者的模板，对再生医学都有很大的益处。

1 软组织工程支架的关键性能

1.1 细胞毒性

为了潜在地替换或修复健康的活体组织，合成或天然支架必须提供细胞粘附和增殖所需的仿生结合位点。在设计组织工程支架时，细胞在支架中的放置和分布对于实现适当的功能和分化至关重要。这种功能与细胞外基质的相互作用以及缺乏活跃血管系统的营养物质扩散。支架不得含有任何导致细胞坏死或凋亡的细胞毒性元素。常见的细胞毒性来源包括构建支架的大分子、光聚合所用的引发剂、聚合物合成中的有机溶剂残留和聚合物降解产物。越来越多的自由基损伤细胞被认为会导致更高的细胞毒性。优化SLA中使用的光引发剂是提高生物相容性的关键，SLA制备聚合物支架的循环发现方法。营养物质通过支架对细胞的正常生长很重要。缺乏营养物质的扩散，或细胞无法迁移，会阻碍细胞增殖，从而降低支架加速组织生长的潜力有效修复和再生。在设计新的大分子和支架、细胞外基质相互作用的因素以及营养物质扩散的影响时，必须考虑到所有这些因素。

1.2 支架降解

降解机理和降解速率是设计新型组织工程支架的重要化学性质。组织工程支架一般分为永久性和可生物降解两大类。这两种类型的支架具有不同的用途，需要不同的化学和生物特性。永久性脚手架不得降解并且需要保持和复制与它所替代的软组织相关的物理特性。植入式永久支架是在组织损伤无法修复的极端情况下使用的。控制降解速率和降解类型对于为特定应用设计支架非常重要。体积侵蚀和表面侵蚀是支架降解。在表面侵蚀过程中，支架从外到内逐渐退化，逐渐收缩。

1.2.1 水解可分解键

水占人体的70%左右，促使组织工程支架中水解可切割连接的广泛应用。在设计生物可降解组织工程支架的高分子材料时，必须考虑到使支架具有水解敏感性所需的化学成分。合成聚合物中最常见的水解敏感功能是酯键。酯具有共同的有机功能，经过水解产生羧酸和醇的离子。如果酯在聚合物主链中，发生链断裂，由此产生的小分子被排出体外。酯通常在SLA聚合物的端官能化时形成。丙烯酰化反应含醇的氯代或甲基丙烯酰氯分别由丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯生产，其中含有酯官能。

交联丙烯酸支架的水解。甲基丙烯酸酯的降解速度往往比丙烯酸酯慢，程度也比丙烯酸酯小。主链上的超疏水甲基使甲基丙烯酸酯聚合物的亲水性降低，并且在尝试水解酯时引入空间限制。聚合物组成、交联密度、结晶度和支架添加剂均影响支架的降解速率。用于软组织工程应用的聚合物需要具有弹性和柔性，因此不考虑半结晶聚合物。混合这些聚酯随着其他更灵活的聚合物导致降解率的改变和材料的力学性能更适合软组织支架。

1.2.2 酶解键聚酯的快速随机链水解

由于低PH值导致局部组织酸性，从而对细胞生长产生负面影响并导致力学性能受损。在聚合物网络中加入酶可分解的键不仅可以实现支架的可控降解，而且还可以作为细胞粘附和迁移的生物活性部分。许多用于组织工程和再生医学应用的材料从聚合物主链或侧链水解降解。侧基化学、结晶度、亲水性等，调整聚合物的水解降解能力。

通过在聚合物主链中引入酶可切割的连接，组织再生和重塑过程模拟了自然细胞驱动的细胞外基质降解，导致细胞迁移和侵袭，以及由此重塑的组织。在自然组织中，细胞外基质蛋白水解酶降解导致细胞迁移，对细胞分泌的酶作出反应。膜结合蛋白酶，如基质金属蛋白酶（mmps），有助于细胞外基质重塑的自然过程，并且在生物材料中通过加入含有这些蛋白酶可切割序列的天然蛋白质，如胶原蛋白或纤维蛋白，进行理想的重建[3-5]。

1.3 机械性能

为了复制体内组织特性，特别是生物力学功能，理想的组织工程支架应该复制本地组织的力学特性。当选择一种聚合物来复制一个目标组织时，本体力学特性作为起点几乎没有价值。低聚物的性质随着分子量的变化而急剧变化。这使得支架刚度的理想调节能够与目标组织相匹配。逐层组装和控制脚手架的微观结构也提供了通过建筑设计调整脚手架机械性能的更多控制。控制结构物机械性能的其他方法包括树脂添加剂、超分子相互作用和交联密度。3D打印合成和天然聚合物机械特性，显示了未来在组织再生中的应用前景。

2 3D打印技术的应用

增材制造能够制造新的和独特的结构，通常不能使用标准加工技术实现。材料挤出3D打印技术，如熔融沉积建模（FDM）、喷嘴沉积直接打印、熔融绘图或成型，由于高热跃迁，与金属或热塑性塑料（如半结晶聚酯）一起使用。挤压和成型添加剂制造工艺通常按需以刀具路径方式沉积熔融样品。颗粒印刷技术，如选择性激光烧结（SLS）使用聚合物粉末构建支架。这些技术分别烧结特定的层来构建三维支架。另一种常用的脚手架增材制造技术是光聚合，如SLA。与材料挤出和SLS相比，使用数字掩模投影设备（DMD）一次制造整个层的能力在打印速度上提供了优势。总制造时间取决于印刷件的尺寸、所需的整体特征分辨率、高度层厚度和照片聚合物固化动力学。来自掩模投影SLA的光一次固化一层，与分别在材料挤压或SLS/SLA中固化一层的喷嘴或激光光栅形成对比。

当瞄准软组织支架时，因为SLA在可打印材料中更为通用，可见光SLA能够在细胞存在的情况下制造支架，提供更均匀分散的细胞支架结构，并消除制造后种子植入。SLA制造使用光源精确控制聚合物支架的微尺度（DMD掩模投影）和纳米尺度（双光子聚合或先进的光刻技术）。结构的逐层组装是使用一个阶段来实现的，该阶段移动所需厚度的距离以允许新的层到光固化。共层高度在SLA范围从25mm-200mm。计算机辅助设计软件通常用于打印光控制结构和尺寸。设计对象的计算机辅助设计文件或3D对象被分割成不同的层。这些层用于引导光源固化聚合物。这项技术允许个性化医疗，因为对患者组织成像可以生成与被替换组织几乎相同的三维复制品。光源和成像光学控制支架（外形尺寸和单个特征）的最终尺寸、分辨率和精确度。最小特征分辨率范围为5mm-300mm。通常用于SLA的光源包括广谱紫外线（UV）灯、单色激光和可见光。光源决定了光的发射波长，SLA光源（紫外光和激光）会影响细胞并引入突变，损伤细胞。可见光SLA技术消除了紫外线的有害影响，并允许细胞分散在聚合物树脂中制造支架。SLA设置通常使用自下而上或自上而下的方法来设计。

3 结束语

结合化学、材料科学和生物技术是开发可生物降解软组织工程支架的关键。合成或天然聚合物本身并不能表现出最佳支架所必需的所有性能。测试新聚合物并结合聚合物系统性已经研究的有助于开发新的和改进的生物降解组织工程支架。这些聚合物还必须保持降解的能力，并且必须保持必要的机械性能，以便在加工后替换目标组织。使用SLA在天然聚合物上构建支架的工作受到限制。因此，将合成的、可调的聚合物力学性能与天然聚合物的生物学性能相结合，创造出一种功能性组织工程支架是将来研究的重点。

参考文献：

[1]KON E， ROFFI A， FILARDO G， GIUSEPPE FILARDO，GIULIA TESEI，MAURILIO MARCACCI. Scaffold-based cartilage treatments： with or without cells？ a systematic review of preclinical and clinical evidence [J]. Arthroscopy the Journal of Arthroscopic & Related Surgery， 2015，31（4）：767-775.

[2]伍权，张祥林，吳斌，等.基于挤出沉积成形技术的多孔生物支架制备[J].华中科技大学学报（自然科学版），2011，39（12）：33-36.

[3]高庆东，祝旭龙，向俊西，等.基于组织工程研究的可降解支架材料选择策略[J].生物工程学报，2016，32（2）：172-184.

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[5]唐爱民，赵姗，宋建康.基于纳米纤维素的三维组织工程支架多孔结构的调控与表征[J].材料研究学报，2014，28（10）：721-729.

[6]伍权，张祥林，吴斌，等.基于挤出沉积成形技术的多孔生物支架制备[J].华中科技大学学报（自然科学版），2011，39（12）：33-36.