3D打印骨组织工程支架的研究与应用

中国组织工程研究第19卷第25期2015–06–18出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchJune18,2015Vol.19,No.25P.O.Box10002,Shenyang110180曹雪飞，男，1988年生，陕西省榆林市人，汉族、兰州大学第二临床医学院在读硕士，主要从事骨与关节损伤研究。通讯作者：甄平，主任医师，解放军兰州军区兰州总医院全军骨科中心，甘肃省兰州市730050中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2015)25-04076-05稿件接受：2015-04-24’sdegree,LanzhouUniversitySecondHospital,Lanzhou730050,GansuProvince,China;MilitaryCenterofOrthopedics,LanzhouGeneralHospitalofLanzhouMilitaryRegion,Lanzhou730050,GansuProvince,ChinaCorrespondingauthor:ZhenPing,Chiefphysician,MilitaryCenterofOrthopedics,LanzhouGeneralHospitalofLanzhouMilitaryRegion,Lanzhou730050,GansuProvince,ChinaAccepted:2015-04-243D打印骨组织工程支架的研究与应用曹雪飞1，2，宋朋杰1，乔永杰1，甄平2(1兰州大学第二临床医学院，甘肃省兰州市730000；2解放军兰州军区兰州总医院全军骨科中心，甘肃省兰州市730050)文章亮点：1此问题的已知信息：以往制作骨组织工程支架的方法有采用溶液浇铸/离子洗出法、原位成型法、静电纺丝法、相分离/冻干法、气体成孔法等，但支架的三维结构、力学强度、支架个性化还不尽人意。2文章增加的新信息：通过3D打印技术制作的骨组织工程支架在三维结构、力学强度、支架个性化方面有其独特优势。不同3D打印技术制作出的支架有其优缺点，3D打印骨组织工程支架目前处于发展阶段，需要多学科共同研究。3临床应用的意义：临床由于感染、肿瘤、创伤导致骨缺损的患者相当多见，但通过当前的治疗方法治疗情况不佳，通过3D打印技术制作的骨组织工程有望为骨缺损患者带来希望。关键词：生物材料；骨生物材料；骨缺损；3D打印技术；熔融层积成型术；立体平版印刷术；选区激光烧结术；3DP技术；国家自然科学基金主题词：生物相容性材料；组织工程；支架基金资助：国家自然科学基金面上项目(81371983)：多孔β-TCP负载PLGA抗结核药物缓释微球的构建及其抗结核成骨作用研究摘要背景：虽然应用传统方法制作骨组织工程支架取得一定成就，但在支架的三维结构、力学强度、支架个性化方面不太满意，通过3D打印技术制作支架的方法有望改变这些不足。目的：对3D打印技术制作骨组织工程支架作一综述，对支架的未来优化进行展望。方法：应用计算机检索PubMed和谷歌学术数据库中，2008至2015年关于3D打印技术制作骨组织工程支架的文章。纳入包含骨组织工程支架结构设计、材料及通过不同3D打印技术制作的支架性能研究文章，排除观点重复和陈旧的文章，最后对37篇文献进行归纳总结。结果与结论：目前可用作骨组织工程支架制作的3D打印技术有熔融层积成型、立体平版印刷、选区激光烧结及3DP技术。3D打印技术制作的骨组织工程支架在力学、结构、个性化方面有其独特优势，但该技术仍有很多问题需要解决，比如原材料的问题、不同3D打印技术的不足问题及3D打印机器的改进问题等。相信在未来多学科的共同合作下，可以制作出适合于临床的骨组织工程支架，造福于人类。曹雪飞，宋朋杰，乔永杰，甄平.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(25):4076-4080.doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.25.0273DprintingofbonetissueengineeringscaffoldsCaoXue-fei1,2,SongPeng-jie1,QiaoYong-jie1,ZhenPing2(1LanzhouUniversitySecondHospital,Lanzhou730000,GansuProvince,China;2MilitaryCenterofOrthopedics,LanzhouGeneralHospitalofLanzhouMilitaryRegion,Lanzhou730050,GansuProvince,China)AbstractBACKGROUND:Althoughbonetissueengineeringscaffoldsmadeoftraditionalmethodshavemadecertainachievements,thethree-dimensionalstructure,mechanicalstrengthandpersonalizedpropertyofthescaffoldsareunsatisfied.3Dprintingtechnologyisexpectedtochangetheseshortcomings.OBJECTIVE:Toreviewthe3Dprintingofbonetissueengineeringscaffoldsandtoprospecttheoptimizationofthescaffolds.METHODS:Acomputer-basedsearchofPubMedandGoogleacademicdatabasewasperformedforarticlesaddressingthe3Dprintingofbonetissueengineeringscaffoldspublishedfrom2008to2015.Articlesconcerningthestructuredesignandmaterialsofbonetissueengineeringscaffoldsanddifferent3Dprintingtechnologiesforscaffoldpreparationwereincluded,andrepetitiveandoldarticleswereexcluded.Finally,37articlesweresummarized.RESULTSANDCONCLUSION:Currently,3Dprintingtechnologiesusedforpreparationofbonetissueengineeringscaffoldsincludemeltlaminatedmolding,stereolithography,selectivelasersinteringand3DP曹雪飞，等.3D打印骨组织工程支架的研究与应用ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH4077:BiocompatibleMaterials;TissueEngineering;StentsFunding:theNationalNaturalScienceFoundationofChina,No.81371983CaoXF,SongPJ,QiaoYJ,ZhenP.3Dprintingofbonetissueengineeringscaffolds.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2015;19(25):4076-4080.0引言Introduction目前临床由于感染、肿瘤、创伤导致骨缺损的患者相当多见，但由于自体骨有限及人工骨免疫排斥反应等问题导致治疗情况不佳[1-2]。骨组织工程支架的不断发展给患者带来了希望。经典的骨组织工程支架必须具有良好的细胞和组织相容性、良好的降解和可吸收性、适宜的孔隙率和孔隙相通性的三维立体结构、良好的力学强度、支架形状个体化等特征[3-5]。骨组织工程支架的制备方法很多，与其他方法相比，3D打印技术制备的骨组织工程支架在支架个性化、精确性、机械强度、孔隙调节、空间结构复杂性方面有独特优势[6-7]。3D打印技术是当前比较热门的一种技术，实际上是一系列快速原型成型技术的统称，其原理是指在计算机控制下，根据物体的计算机辅助设计(CAD)模型或计算机断层扫描(CT)等数据，通过材料的精确逐层3D堆积，可以快速制作形状复杂的物体。当前3D打印技术已被应用于工业制造、医学等方面。在生物医学方面，3D打印技术已近被应用于器官及细胞打印、组织工程支架及假体植入物、器官模型的制作及手术指导策划。文章就3D打印骨组织工程支架的研究应用进行综述。1资料和方法Dataandmethods1.1资料来源由第一作者于2015年3月在PubMed数据库谷歌学术数据库中检索2008年1月至2015年3月有关骨组织工程的相关文章。英文检索词为“bnedefect，bnetissueengineering，3Dprintingtechnology，FDM，SLA，SLS，3DP”，检索文献量总计270篇。1.2入选标准纳入标准：①具有原创性、信息详实的文章。②针对性强，相关度高的最新文章。排除标准：①与本文内容无关文章。②重复性及观点陈旧的文章。1.3质量评估初检到270篇文献，阅读摘要后排除与本文无关及重复观点的文章，最后选择符合标准的37篇文章。文献[1-7]探讨了3D打印技术的原理及应用的目前进展，文献[8-30]探讨了骨组织工程支架三维的构建及不同3D打印技术在骨组织工程支架制作的应用，文献[31-37]探讨了对3D打印骨组织工程支架的未来发展。2结果Results2.1骨组织工程支架三维构建骨组织工程支架的三维构建，传统的方法是直接通过CAD软件设计支架形状(圆柱形、球体、立方体)，支架孔隙大小可以通过软件的设计表现出[8]。为保证支架结构的个性化，可直接兼容CT和MRI成像，使设计出的支架符合外部解剖形态(宏观)和其内部的多孔结构(微观)。国外Pandithevan等[9]先对人体的CT/MRI扫描数据行三维重建，提取需要构建骨支架的轮廓形状建立解剖模型，再采用CAD软件设计支架内部微孔模型，将这些微孔单元有序排列，形成空间微孔结构。2.23D打印技术制作骨组织工程支架的实验研究目前可用作骨组织工程支架制作的3D打印技术有熔融层积成型、立体平版印刷、选区激光烧结及3DP技术等。2.2.1熔融层积成型熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层，直至形成整个实体造型。熔融层积成型技术所使用的原