3D 打印技术在创面愈合中的研究进展

吴子豪 杜伟斌 全仁夫

皮肤作为人体最大的器官，承担着防御、免疫、代谢等多种功能。而在日常生活中，急性皮肤损伤随处可见，具有发病率高、并发症多等特点[1]。皮肤遭受大面积损伤后，患者会面临着感染、休克，甚至死亡的威胁。目前我国每年复杂难愈合创面治疗需求有3000 万人次，而整个创面治疗的需求更是高达1 亿人次[2]。传统治疗方式中，中医以“清热祛腐，活血化瘀，补虚生肌”为大纲，辅以中药治疗，而西医以植皮、清创缝合、反复换药为主，但这些方案不仅治疗周期长、花费较大，而且愈合后皮瓣功能差、伤口欠美观，即使引用了负压封闭引流技术（vacuum sealing drainage，VSD），仍然可能会加重原本的积血现象，有时也可因负压时间过长导致创面干燥、坏死[3]。而随着生物材料学、三维（three-dimensional，3D）打印技术的进步，传统治疗方案中的弊端将有望被解决。本文对3D 打印在创面愈合领域的研究进展进行综述，现报道如下。

1 创面愈合概述

创面愈合是指各种因素造成皮肤缺损后，局部组织通过增殖、分化、重建等方式恢复局部生理结构和功能的过程。创面修复的阶段包括：炎症反应、新血管的生成、细胞增殖、创面成熟重建等环节[4]。创面愈合过程面临着诸多挑战，最常见的因素包括温度、湿度、pH 值、排异、各种疾病的影响等。除此之外，创面愈合还面临着氧化应激反应导致的细胞凋亡、创面愈合过程中炎症持续状态、血管再生以及可能存在的细菌感染问题等，不仅使创面愈合速度大大减慢，甚至有可能使得创面状态进一步恶化，是目前创面愈合中亟需解决的重点、难点。

随着3D 生物打印技术的进步，人工工程皮逐步被应用于临床，通过对生物材料、生化物质和活细胞的逐层精确定位，以及对功能部件位置的空间控制，来制造具有生物和机械性能的3D 功能活体人体结构，适用于创面愈合的临床恢复。

2 生物3D 打印与创面愈合

2.1生物3D 打印在创面愈合中的研究进展 3D打印原理简单来说就是将材料以快速制造技术，将其逐层打印并叠加在基板上，以此构造任何物体。刘煜凡教授等[5]在动物模型中找到了最佳微结构，以促进表皮干细胞的增殖分化并维持较高细胞活性，为构建3D 生物打印组织工程表皮以及全层皮肤模型奠定了基础。随后的众多实验验证了3D 打印支架可促进细胞增殖与维持细胞活性[6-8]，彰显了3D 支架在细胞层面上的巨大潜力。

皮肤还包括表皮层、真皮层和皮下组织等结构，目前的人工皮、敷料等功能单一，还无法模拟皮肤复杂的功能，因此多层次、多方位的3D 打印是解决当前复杂皮肤功能的一种方法。胡锦花等[9]利用生物3D 打印技术具有细胞定位精确，逐层打印高效的特点，基于皮肤分层结构进行打印，在体外快速构建高仿真的多层皮肤组织模型。这项研究表明，3D 打印可以在体外还原复杂的皮肤结构，为进一步还原皮肤功能奠定基础。

基于皮肤的特殊性，Wei等[7]提出，3D 打印材料需要符合皮肤组织原有机械性能，主要包括：（1）生物相容性，即不会引起机体排斥反应；（2）力学性能，即具有一定的强度和柔韧性；（3）可降解性，即可以降解被机体吸收。打印材料标准的明确，让3D 打印开启了飞速发展模式，呈现出了材料科学、纳米科学、生物技术应用多学科交叉融合发展大趋势[8]。

除了上述方面的研究，3D 打印的模式也发生了变化，除了最常见的喷墨式打印与挤压式打印外，激光直写细胞打印技术、立体光刻细胞打印技术、声波驱动式细胞打印技术等相继面世，并取得了不错的成果[10]。

2.2生物3D 打印在创面愈合中的优势

2.2.1细胞存活 细胞的增殖分化贯穿创面愈合的始终。中医上可使用包括古汉愈疡方等中药方剂，促进成纤维细胞、表皮细胞增殖，加速创面愈合[11]。现代医学则经常使用脱细胞同种异体真皮等来促细胞活性，但附着在相应基质上的细胞存活率仍然较低，且面临着人体的排斥反应[12]。

相比于过往的医疗技术，3D 打印大大增加了细胞与细胞之间、细胞与基质之间的相互作用[13]，以支架的形式，搭载相应的细胞与基质，促进细胞增殖与分化，在一定程度上弥补了常规手段治疗创面损伤时细胞过度凋亡的缺陷。Han等[14]研究发现，良好的孔径率可以使细胞附着力提高，大大增加了细胞的存活率。Pereira等[15]使用光固化3D 打印技术，在固化成型的同时不挤压细胞，最大程度使细胞存活，为创面愈合提供良好的细胞环境。随着研究的深入，支架中搭载的基质，也越来越符合细胞生长所需要的环境条件。Wang等[16]研发出了载细胞水溶胶，细胞在水溶胶内更加容易增殖，形成3D 细胞网络，加速创面愈合过程中细胞的增殖。综上所述，在3D 打印技术的加持下，创面修复过程中细胞的存活率及存活环境得到了极大提升，使创面可以更快更好地恢复。

2.2.2血管再生 创面早期血管损伤后，创口组织面临着缺血、缺氧坏死的风险，并且营养细胞、局部代谢等都有赖血管的调节，因此，血管的再生是极为重要的一环。目前常用的手段包括中医方剂，如紫黄生肌膏等可使血管内皮生长因子水平增高，促进血管再生[17]，或者是现代医学研究中的脂肪间充质干细胞等也可促进血管再生，但局部感染问题、难以量化中草药有效成分浓度等缺陷始终是中西医结合治疗创面损伤过程中需克服的困难[18]。

在常规的治疗手段中，血管再生几乎只能靠自愈，愈合周期长，所以需要寻找能够引导血管内皮细胞黏附、增殖、生长并在移植到创面后尽快建立微循环的方法。多孔支架内微/纳米纤维网络的使用，能够大大促进内皮细胞的黏附与增殖[19]。生物活性玻璃可促进内皮细胞和成纤维细胞之间的旁分泌效应，进而达到促进血管生成的目的，与静电纺丝纳米纤维复合成新型材料，打印成支架后在糖尿病创面修复中起到了较好的血管诱导作用[20-21]。还有不同成分的水凝胶，在干预创面后可见微血管密度明显增加，尤其以海藻酸钠-壳聚糖复合水凝胶最为明显[22]。研究显示，采用记忆性能与生物相容性好的材料作为支架基础，按照本体血管的形状进行打印，在回植创面后，新生血管与本体动脉结构相似，契合人体原本的血运状态，改善了创后局部血循不畅的问题[23]。

2.2.3抗炎症反应 炎症反应是创面愈合过程中面临的另一大难题，创面炎症的持续会改变微环境，进而影响创面愈合时间，所以，控制好炎症反应才能更好地促进创面愈合。目前常见的治疗方法有中药熏洗，或使用激素类物质抗炎[24]。相较于传统治疗方式，3D 打印可使药物尽可能地被吸收[6]，减少药物浪费，并且不良反应较激素明显减少。

根据文献报道，3D 打印技术可降低患者氧化应激反应，减少炎症持续时间[25]。还有研究指出，定向排列的3D 多孔网状结构比蜂窝煤状垂直贯穿的3D多孔网状的炎症发生率更低，为3D 生物打印的排列提出了更高的要求[26]。有学者指出，3D 打印材料制备的聚己内酯管型支架的生物相容性不如脱细胞材料好，炎症指标相对较高，所以当前研究倾向使用脱细胞基质进行打印。目前常见的生物来源有猪、牛、山羊、大鼠的组织器官等，不仅材料来源更广，也更具有仿生性，通过一定的构造手法，可形成对细胞友好的3D 水凝胶结构[27-28]。除了以上材料外，目前国内的一些学者将目光放到了传统的中医药方面，其中黄芪提取物黄芪多糖可通过使促炎细胞因子肿瘤坏死因子-α 和白细胞介素-1β 的表达上调，抑制抗炎细胞因子转化生长因子-β 的表达，以此达到抗炎的效果[29]。同时还可以增加抗氧化酶活性和降低过氧化脂质水平，并且提高机体的免疫和抗氧化性能[30]。虽然炎症反应在创面愈合全过程中较为常见，但应用3D打印技术后，不管是3D 结构的构造，又或者是所使用材料的应用，都可以大大降低或者抑制炎症的发生，为炎症治疗与管理提供新的思路与方法。

2.2.4抗感染 感染是外科创面中常见的并发症之一，70%的难愈性创面都有生物膜的形成，这些生物膜则是感染的主要原因[31]。目前多用抗生素来抗感染治疗，但长期应用会产生耐药性，加大治疗难度，因此，创面感染的治疗，也是创面愈合的关键之一。

大量体外研究证明，不同支架所附着的细菌种类及数量都不同，主要以支架表面粗糙程度来决定[32]。传统敷料及生物材料的制备，无论模铸、铸塑，又或是技术，都会在微观上造成一定的几何误差，给菌落提供附着地，造成感染，而3D 打印技术其精确程度可及纳米层次，最大程度使打印物表面光滑，菌落难以附着[33]。Pérez-Tanoira等[34]发现，岛状阵列突起可使生物材料与细菌减少接触，以达到减少菌落附着的目的，还可以使用3D 图形软件设计3D 打印微图案来增加生物材料的抗感染能力。

使用抗感染材料打印皮肤支架是另外一种解决感染的途径。由于菌落分布位置的不同，即使传统敷料中添加抗生素，也无法针对性抗感染，但3D 打印可根据其精确的空间控制能力，使抗菌材料分布在不同位置，更加针对性抗感染。还可通过使用抗菌材料纳米银等构建支架，抑制细菌增殖，达到抗菌目的[35]。总之，目前生物3D 打印较传统方式，抗菌效果更好，更加具有针对性，随着3D 打印技术精度的提高与3D 打印材料的开发利用，3D 打印技术将成为创面愈合的主流方法。

3 小结

本文综述了3D 打印在创面愈合中的部分研究进展。（1）生物3D 打印技术在细胞层面上的突破，为支架打印奠定了基础，最佳微环境的发现，使细胞活性大大提高；（2）3D 打印可以还原皮肤3D 结构，为进一步模拟皮肤功能，体外制备人工皮提供了更加广阔的思路；（3）生物3D 打印材料标准的提出，使各类人工皮与人工支架选材做到了有据可依，加速了创面愈合材料的研究，为新型人工皮的研制奠定了基础；（4）除了常规的打印技术，生物3D 打印在皮肤打印技术方面也有了长足的进步，如激光直写细胞打印技术、立体光刻细胞打印技术、声波驱动式细胞打印技术的相继出现，更是为创面愈合提供了宝贵的技术支持。

关于3D 打印在创面愈合中的优势，有如下几点：（1）3D 打印技术的使用可保证细胞的存活率，避免因细胞早期过度凋亡而带来创面延迟愈合，并创造有利于细胞增殖分化的微环境；（2）3D 打印结合相应的材料，能够加快血管再生，更符合原血管形态，加速创面的愈合；（3）在愈合过程中，可通过3D结构的构造与不同打印材料的选择，降低炎症反应发生率；（4）针对感染的发生，3D 打印以其精确的空间控制与搭载材料的选择，控制菌落的附着与增殖，达到较好的感染控制率。

但目前3D 打印的缺陷也同样明显：（1）3D 打印物尚未应用于人体，仅在动物或细胞试验中展开，难以观察到临床的相关数据；（2）创面的研究多以糖尿病、烧伤为主，缺乏其他疾病状态下的创面资料，所以相关打印材料的选择仍有待进一步扩展；（3）3D打印材料过于昂贵或难以获得，暂时无法量产等。

总体来说，作为新型创面愈合手段，3D 打印因可提高创面愈合速度，降低炎症反应与感染率等不良影响而逐渐成为一种新的趋势，希望本文可以为相关研究提供更多的思路，同时期待3D 打印技术在创面愈合临床治疗中有着更加广泛的应用，为创面损伤患者带来更加经济实惠的治疗方案。