3D打印技术在骨组织支架材料的应用

3D打印技术在骨组织支架材料的应用摘要目的：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。前景：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。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[1]。关键词3D打印技术生物医学骨组织前景前言”组织工程“是20世纪80年代提出的一门新兴交叉学科。其基本含义是应用工程和生命科学的基本原理和技术，在体外构建具有生物功能的人工替代物，用于修复组织缺损，替代失去功能或衰竭的组织，器官部分或全部功能。组织工程的研究范围很广，几乎涉及人体的所有器官，如骨，软骨，肌腱，皮肤，血管，肝脏，神经，牙，角膜等。在组织工程的研究中，组织工程支架材料是其基础，是组织工程领域中的一个不可或缺的环节。组织工程支架材料根据用于不同人体组织及具体替代组织具备的功能所设计。组织工程支架材料包括：骨、软骨、血管、神经、皮肤、肌腱、角膜、肝脏等的组织支架材料。目前构建的骨组织工程支架还很不完善,在力学性能、降解速度、结构形态、生物活性等方面仍有许多问题亟待解决。随着骨组织工程及其相关领域研究的深入和进步,骨组织工程支架的研究将会具有突破性的进展。在骨组织工程中，3D打印技术已经起着很重要的作用。广义的3D打印技术又称快速成型技术,是一种以数字模型为基础，在计算机控制下以逐层打印的方式构造物体的技术。应用此技术可构造出任何形状的物体。1、3D打印技术3D打印技术（3Dprinting），即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“3D打印技术”意味着这项技术的普及。3D打印技术通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。2、骨组织2.1常用的骨组织工程支架材料：人工骨支架材料可分为两类，即生物降解和非生物降解型。早期的人工骨支架材料都是非生物降解型的，这类材料有：高聚物（碳素纤维，涤纶，特氟隆），金属材料（不锈钢，钴基合金，钛合金），生物惰性陶瓷（氧化铝，氧化锌，碳化硅），生物活性陶瓷（生物玻璃，羟基磷灰石，磷酸钙）等。这些材料的特点是机械强度高（耐磨、耐疲功、不变形等，生物惰性（耐酸碱、耐老化、不降解）。但存在二次手术问题，因此人们开始研究使用可生物降解并具有生物活性的材料，这类材料有纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、聚醇酸及其共聚体、聚乳酸和聚羟基酸类、琼脂糖、壳聚糖和透明质酸等多糖类。目前研究和使用的骨组织支架材料是降解材料或降解和非降解材料的结合[2]。2.2理想骨组织支架材料的特征①生物相容性和表面活性：有利于细胞的黏附，无毒，不致畸，不引起炎症反应，为细胞的生长提供良好的微环境，能安全用于人体。②骨传导性和骨诱导性：具有良好骨传导性的材料可以更好地控制材料的降解速度，具有良好骨诱导性的支架材料植入人体后有诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化并促进其增殖的潜能。③合适的孔径和孔隙率：理想的支架材料孔径最好与正常骨单位的大小相近(人骨单位的平均大小约为223μm)，在维持一定的外形和机械强度的前提下，通常要求骨组织工程支架材料的孔隙率应尽可能高，同时孔间具备连通孔隙，这样有利于细胞的黏附和生长，促进新骨向材料内部的长入，利于营养成分的运输和代谢产物的排出④机械强度和可塑性：材料可被加工成所需的形状，并且在植入体内后的一定时间内仍可保持其形状。3、3D打印技术在构建骨组织支架材料的研究状况3D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。3.1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料通常为热缩性高分子，包括{ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等}。熔融层积成型技术的优势在于制造简单、成本低廉，此技术可用不同材料制作不同组织，各解剖结构可分别用不同颜色、类型的材料制成以示区分，但打印出的支架在精度及表面质量方面还不理想，而且高温可能破坏原材料的化学成分，同时温度对于熔融层积成型效果影响非常大，成品效果依然不够稳定，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用熔融层积成型技术，且该技术不能打印生长因子、蛋白质、细胞，限制了其在医学支架方面的进一步应用，耗时较长可达24h。3.2立体平板印刷（SLA）又称为光敏液相固化法、光固化成形、立体光刻等，是最早出现的技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。它是在树脂槽中盛满液态光敏树脂，使其在激光束或紫外线光点的照射下快速固化。这种工艺方法适用于制造中小型工作，能直接得到塑料产品。它还能代替蜡模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模，环氧树脂模和其它软模的母模，是目前较为成熟的快速原型工艺。近年来单纯以光过敏树脂为材料通过立体平板印刷法打印骨组织工程支架已有较多的报道。通过此法制备的支架具有人松质骨的力学强度，并可促成骨细胞增殖及粘附。研究表明，用混合材料制作的支架比单纯的光过敏树脂制作的支架在力学强度、组织相融性、成骨性方面更有优势。Kim等以聚富马酸二羟基丙脂/羟基磷灰石为原料，通过此技术制备了复合支架材料、复合支架材料孔隙结构、孔隙相通。孔隙大小及力学强度比单纯的聚富马酸二羟丙脂更有优势，且加入羟基磷灰石能进一步促进胚胎成骨细胞前体细胞在支架上的黏附和增殖。同样以磷酸酯寡聚体-双甲基丙烯酸酯/羟基磷灰石为原料，利用立体平板印刷技术制成的复合材料更能促进骨形成及材料骨的结合。3.3激光选区烧结(SelectedLaserSintering,SLS)采用CO：激光器对粉末材料(塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等)进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆积成三维实体的工艺方法。激光选区烧结在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下。成形时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末熔化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，进行下一层的烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最后经过10h冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件，未经烧结的粉末基本可自动脱掉，并重复利用。因此，SLS工艺不需要建造支撑，事后也不要为清除支撑而烦恼。3.43DP技术三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院EmanualSachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP（Three-DimensionalPrinting）专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。4、3D打印技术在构建骨组织支架材料的成果近年来通过熔融层积成型法制作的单纯聚酯类支架在动物实验中具有一定的成骨作用，但支架的力学强度、降解性仍不满[3]。Schantz等[4]以聚已内酯和磷酸钙混合物为支架材料，通过熔融层积成型技术制备聚已内酯一磷酸钙支架，该混合支架降解速率和力学强度较单纯聚已内酯支架明显提高。Xu等[5]在CT引导下采用熔融沉积成型技术制备聚己内酯，羟基磷灰石三维人工骨，模仿天然山羊股骨，所有的结果表明，CT引导下的有熔融层积成型技术是一种简单、方便、成本相对较低的方法，适用于制作天然骨人工骨。此外，此技术制备的聚已内酯/羟基磷灰石人工骨更接近自然骨的力学，体外细胞生物相容性、生物降解能力良好，具有适当的体内骨形成能力。因此，聚已内酯/羟基磷灰石三维人工骨可能在临床骨缺损患者的治疗中的应用。骨组织支架材料应具有高度互连的多孔结构，适当的机械和生物性能，为了使支架性能更加良好，当前研究者多采用混合原料制作支架。多为科学家选用激光选区烧结技术制作多孔磷酸三钙支架，也用选区激光烧结技术联合AM法建立了三维聚乙内酯支架，具有良好的宏观和微观特征。在医疗行业，一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。同时应用3D打印技术制作的足踝矫形器不仅能实现个体化治疗，还能减少人工成本和时间成本。对复杂的足踝外科手术，3D打印模型和导向模板不仅能减少手术难度、减少术中透视次数，更能增强手术精确性。此外，3D打印技术也可应用于制造个体化植入物，随着3D打印模型表面处理和几何精确度等技术的进步，3D打印技术在直接打印植入物方面有巨大的发展空间3D打印技术在足踝外科的应用也比较广泛。5、前景集医学影像技术、计算机辅助技术与制造于一身的3D打印技术，有望便捷、快速地为患者量体裁衣，制备个性化的植入物，使患者告别过去那种“削足适履”的传统治疗方式。3D打印技术的应用还可以有效促进医患沟通，在与病人的谈话中，在利用3D打印技术制好的模型上生动、形象地向患者及家属描述病情并告知其手术中的操作等，真正的让病人感觉“明明白白”治病，有效缓和医患之间紧张的关系，具有显著的临床效益。利用3D打印技术制造的医用植人体比传统更轻、更坚固，满足个性化要求，独特的空间成型技术，可按治疗需求形成空间支架，表面仿生孔隙，从而具有更佳的生物相容性，尽可能接近生理功能要求，给骨组织修复的个体化治疗带来了革命性的改变[6]。总之，未来通过3D打印机将组织干细胞、支架材料、生长因子、信号分子、蛋白质等在计算机软件控制下，通过3D打印技术最终打印出有生命、有生理功能的骨组织工程器官，这在医学界有着非常广阔的前景。6、亟待解决的问题3D打印技术作为一项革命性技术，它可以直接将三维数字模型打印为更直观、立体的实物模型，方便医生在个体化的模型上进行疾病的诊断并加强针对性的操作练习等。然而，3D打印技术应用于骨组织修复尚存在以下几方面的问题：(1)3D打印技术规范与评估的完善：以“激光快速成型术的制作工艺和应用技术”为例，相关的行业标准尚未出台，无法评估激光成型过程中是否破坏植人物内部三维结构、外部精度以及力学性能(如强度、构件疲劳、断裂韧性)等。(2)材料的研发需求：3D打印技术对打印材料要求较高，因该技术是将原材料逐层打印，然后黏合在一起，所以制造生产出来的模型机械强度差，是否能适应长期的高强度使用尚不得而知。因此，选择制造合适的材料成为3D打印技术能否被顺利应用于临床的关键环节，开发能够适合医学应用的3D打印材料是当务之急。(3)相关政策法规滞后：3D打印技术涉及到知识产权、人类伦理、危险品制造等多方面领域，目前尚无明确的相关政策及法律与之相辅相成。(4)费用偏高：3D打印设备大都价格昂贵，且设备的运