3D打印復合材料人工骨技術研究

楊少龍 汪小迪 從云飛

摘 要：由于外傷、腫瘤、手術等原因造成的骨缺損需要修復重建，移植骨的來源受到各種條件的限制。羥基磷灰石、多聚乳酸、聚醚醚酮都是代替天然骨的良好材料，多重材料復合，可以發揮材料各自的優勢。3D打印技術可以利用多種骨替代材料復合物，制造出接近天然骨的復雜、精細的空間結構，是骨缺損的理想修復材料。

關鍵詞：人工骨；3D打印；羥基磷灰石；多聚乳酸；聚醚醚酮

中圖分類號：R602 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0188-02

1 人工骨簡介

由于外傷、腫瘤、手術等原因造成的骨缺損需要修復重建，自體骨移植面臨著骨源限制、免疫排斥等問題，探索人工骨的制備，非常的必要。現在臨床使用的人工骨在可降解性、生物活性、組織相容性方面，都有一定的缺陷。[1]

人體的骨骼由骨密質和骨松質構成：骨密質質地堅硬，有約10%的孔隙率；骨松質位于骨的內部，成海綿狀，骨小梁交織成網狀，孔隙率約50～90%。[2]人的骨骼的主要成分為羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HA），天然骨中HA片狀晶體與礦化的膠原纖維規則排列，是由骨細胞精細控制成長的HA晶體與有機物的合成，形成的生物陶瓷高/分子復合材料是人工骨在納米尺度難以模仿的。[3]

3D打印技術在醫學領域已經得到了廣泛的應用，尤其是在制造人工骨這樣具有較高孔隙率的復雜三維構型，具有獨特的優勢。3D打印技術可以根據計算機設計，精確制造三維立體結構，越接近自然骨的空間結構，越有利于骨細胞的遷移，營養物質的流通與骨的修復。

2 研究方法

2.1 實驗材料

HA的成分、結構與天然骨一致，生物相容性好，無毒副作用，可以為骨細胞提供理想的生活環境。HA顆粒越細，生物活性越強，植入體內后鈣和磷會降解吸收，被廣泛用作骨填充材料。[4]

多聚乳酸（polylactic acid，PLA），具有很高的生物安全性，在體內可以被分解吸收，而且具有優良的力學性能，可用來制作替代不銹鋼的骨科內固定鋼釘、鋼板，藥物緩解包裝劑、人造皮膚、免拆型手術縫合線等，是經過美國FDA、中國CFDA認證的可植入高分子材料，是良好的骨缺損填充材料，為骨細胞和血管的生長提供支架。

聚醚醚酮（Polyetheretherketone，PEEK），質量輕、無毒、耐腐蝕，可經受134℃下超過3000次高壓滅菌，是目前最接近人體骨骼的材料。[5]

單一的材料往往都有各自的缺陷，比如PLA在體內可以降解生成乳酸，是糖的代謝產物，完全代謝后生成二氧化碳和水，但是降解后周圍的PH值會降低，不利于細胞的生存。PLA親水性差，細胞吸附力較弱，可以起引起無菌性炎癥。[6]HA與PLA相混合，可以代償PLA分解引起的PH值降低，可以避免無菌性炎癥的產生，HA也可以延緩人工骨的降解時間。[7]

雖然目前還沒有一種材料可以完全滿足人工骨的要求，但是可以通過幾種材料不同組分、比例的復合，從而克服各自的缺點，使材料的性能達到最優。

3D打印人工骨的材料：皮質骨材料為分子量300000的PLA或PEEK；骨松質按PLA：HA=4：5的比例混合，PLA的分子量為90000，HA的顆粒直徑為80nm。將分子量為300000的PLA，或PEEK加熱至熔融態，將PLA和HA的混合物加熱至固液混合態，應用“分層疊加”的3D打印原理，經相應的3D打印噴頭，分別將不同的材料噴涂到皮質骨和松質骨位置，個性化制備出與患者骨缺損相匹配的數字化人工骨。[8]

2.2 試驗方法

將患者的CT/MRI等.dicom格式的影像數據導入到Mimics軟件，構建病人骨骼的三維數字模型，設計孔隙結構（圖1），導出數據，轉換成STL格式的文件，經MedCAD軟件設計出0.2mm的片層，導入3D打印機。設置好打印參數，層厚0.2mm，填充密度20%，輪廓絲寬0.3mm，支撐與實體間隙0.65mm，噴頭溫度330℃，工作臺溫度：80℃，45°角常規實體內部填充，收縮因子1.0032。

選用熔融沉積造型術（Fused depositionmodeling，FDM），打印完畢后，清除掉多余的支撐材料。3D打印出的人工骨，皮質骨的孔隙率為10%；松質骨的孔隙率為70，孔隙大小為140μm，具有與人類骨結構相似的孔隙率、孔徑大小和力學性能。圖2所示為我們設計的直徑為30mm，高度為30mm的圓柱體，孔徑直徑設置為500μm，3D打印的PLA人工骨型材。[9]

打印出的人工骨，可以和間充質干細胞或腫瘤細胞進行共培養，掃描電鏡觀察細胞在人工骨上的粘附生長情況。還可以用CCK-8法檢測人工骨的浸提液和純DMEM培養液的對間充質干細胞或腫瘤細胞的細胞毒性的不同，這樣來驗證人工骨的生物安全性。

3 結語

3D打印的人工骨具備個性化的外形設計，可以與患者骨缺損的部分進行完美的匹配。[10]不同的材料組分和比例的優化，可以將降解速度、生物相容性、結構硬度等各種材料的屬性達到最佳的組合。計算機空間結構和3D打印技術的應用，使人工骨具有較好的孔隙率、孔隙直徑、分層結構，從而更接近天然骨的結構，使營養物質更好的交換，骨細胞更好的生長。

參考文獻

[1]張海峰，杜子婧，姜聞博，等.3D打印PLA-HA復合材料與骨髓基質細胞的相容性研究[J].組織工程與重建外科雜志，2015，（6）：349-353.

[2]王俊杰.多孔仿生骨單元植入物三維打印成型系統開發及實驗研究[D].南京師范大學，2017.

[3]楊中.基于羥基磷灰石的3D打印和燒結強化人工骨技術研究[D].重慶大學，2015.

[4]張志宏，劉志禮，高志增，等.骨修復替代材料修復骨缺損的選擇與應用[J].中國組織工程研究，2012，（52）：9836-9843.

[5]付華.聚醚醚酮/羥基磷灰石復合粉末的制備及性能研究[D].武漢工程大學，2015.

[6]王江，師鐘麗，黃鑫，等.不同形貌羥基磷灰石納米顆粒的可控合成及其對骨肉瘤細胞生長的影響[J].浙江大學學報（理學版），2011，（3）：333-336，366.

[7]王振林，萬濤，閆玉華.羥基磷灰石/膠原/聚乳酸三維多孔儲存式藥物控釋載體的制備及其表征[J].中國臨床康復，2006，（41）：198-201.

[8]臧曉龍，孫健，李亞莉，等.3D生物打印構建聚乳酸羥基乙酸/納米羥基磷灰石支架骨形態發生蛋白2緩釋復合體的實驗研究[J].中國組織工程研究，2016，（16）：2405-2411.

[9]周琦琪，韓祥禎，宋艷艷，等.3D打印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、納米級羥基磷灰石/聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇無孔骨板的性能比較[J].中國組織工程研究，2016，（52）：7851-7857.

[10]高雪玲.形貌可控納米羥基磷灰石/海藻酸鈉復合材料的3D打印研究[D].西南交通大學，2017.