三維打印生物材料的發展現狀

李 巖，沙赟穎，孫婷婷，劉楚陽

（泰州職業技術學院 泰州市骨組織工程技術中心，江蘇 泰州 225300）

動態變形材料，通常是通過多材料3D打印技術制造的，但是其定義已經快速地變得模糊和寬泛。本文中，我們把3D打印定義為:在組織工程和再生醫學中，具有潛在應用的生物打印。本文并進行批判性回顧，強調和討論新可編程物以及3D打印方法。

1 滲透壓驅動的基于水凝膠的生物墨水

實現3D打印生物材料的一種簡單機制是利用水凝膠固有的溶脹性質。展示這一基本原理的開創性例子，就是由不同分子量的可光致交聯聚乙二醇（PEG）組成的雙層結構的制備。當它被放在水性環境中時，由于粘合的水凝膠層的不均勻溶脹，預先設計好的折疊結構，會以可預測和可控的曲率，形成微圖案的球體、螺旋體或圓柱體。后來發現，浸泡在水中的打印平面結構，可以由刺激引發形變。

2 智能材料的熱驅動

除了基于水凝膠的可編程軟物質外，利用熱塑性塑料的形狀記憶特性，也可以將第四維度賦予3D打印結構。形狀記憶熱塑性塑料是溫度介導行為的典型聚合物，基于材料的內在轉變溫度。利用形狀記憶聚合物的常規性質，展示了復雜的折紙式折疊過程。這里打印了一個永久性折疊的立方體結構，這個結構由兩種商業化的聚合物組成三層疊層。打印完成后，在高于玻璃化轉變溫度的溫度下展開結構，然后冷卻。當溫度升高到轉變溫度以上時，結構恢復到永久折疊的形狀。這個方法已經被進一步發展，現已能夠完成更多復雜結構的4D打印，如互鎖扣和UPS郵箱的復制品。這些更復雜的結構，要求折葉按順序折疊，而不是同時折疊，以避免在折疊期間發生空間碰撞。使用具有一定范圍的轉變溫度的折葉，可以控制它們在加熱期間折疊的順序--有最低轉變溫度的折葉最先折疊，最高轉變溫度的折葉最后折疊。

研究者擴展了這一概念，將具有不同玻璃化轉變溫度的兩種形狀記憶聚合物和具有多個轉變形狀的打印結構結合起來。他們打印出層狀結構。在兩層中分別沉積不同的形狀記憶聚合物的纖維，其玻璃化轉變溫度分別為38℃和57℃。為了對形狀記憶效應進行編程，首先將印刷結構加熱至～70℃并拉伸至10%應變，保持該應力，待結構冷卻至約0℃后釋放。不同的玻璃化轉變溫度允許結構根據施加的溫度形成多種形狀。用簡單的線性條帶展示了該概念，該條帶結構在0℃幾乎是平坦的，并且稍微向具有較低轉變溫度的纖維的一面彎曲。在15°C時，條帶呈現明顯的彎曲，而在30°C時，彎曲角度進一步增大。在60℃以上時，由于高于兩種纖維的轉變溫度，結構回到平坦狀態。一個更復雜的例子是昆蟲樣結構，其首先通過雙軸拉伸進行編程，然后放在加熱到30℃的水中。37s后，昆蟲結構呈現立體狀態，再進一步加熱至60°C，結構恢復到永久平坦的形狀。

雖然，我們將關于熱驅動的討論集中于低玻璃化轉變溫度的熱塑性塑料上，但不應誤以為熱驅動僅限于這些類型的材料。有許多水凝膠材料表現出溫度敏感性能，它們可以在預設計中被利用并用于生產智能或多功能3D物體。研究者已經證明了能夠通過使用熱敏性藻酸鹽聚（N-異丙基丙烯酰胺） 水凝膠做成的3D打印水凝膠閥，來控制水流動。雙網絡型水凝膠，由緊密交聯的藻酸鹽基質和松散交聯的網絡組成。10℃下，在打印過程中，網絡逐漸進行光交聯，然后將完成了的打印結構浸入氯化鈣中，以交聯藻酸鹽基質。在20℃時，藻酸鹽水凝膠是高度溶脹（溶脹比～9） 狀態，在閥組件處于打開位置；在60°C時，水凝膠含水量明顯降低（溶脹比～1），閥組件的驅動臂收縮，關閉流路。

在類似的研究中，通過打印含有兩種不同水凝膠制劑的復合材料來證明水凝膠結構的折疊。第一種材料是聚醚類聚氨酯和甲基丙烯酸2-羥乙酯的混合物。第二種制劑是聚醚基聚氨酯和N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM） 的混合物。在這兩種情況下，PEO-PU的質量比都為1∶1。PEOPU組分提供打印墨水所需的黏度。為了防止NIPAM在聚合期間分離，加入乙醇作為兩種制劑的溶劑。使用3D打印，將兩種水凝膠沉積在空間限定的區域中，以制造“折葉”。兩種水凝膠制劑之間的不均勻溶脹導致折葉在室溫下膨脹彎曲，并當加熱至60℃時恢復成扁平形狀。

之前的實例，包括藻酸鹽 -聚（NIPAAm）驅動閥和由 PEO-PU、聚 （HEMA） 和聚（NIPAAm）的混合物組成的折葉結構，都顯示了3D打印技術在制造可形狀轉換智能材料中的重要性。其實，雖然這些材料已被廣泛應用于許多不同的應用中，但是組成材料本身并不“智能”，其本身也并不具備這些例子中的功能。然而，通過使用3D打印，將這些材料組合到空間定義的結構中，便可以生產出具有驅動或折疊功能的智能水凝膠結構。雖然這些研究表明，3D打印水凝膠結構中的一些可能的功能，但是它們還不能立即適用于典型的醫療應用中，這是因為臨床應用使用的材料，需要是醫用級聚合物的商品化聚合物。例如，驅動閥和折葉結構，在加熱至60℃，即遠高于生理溫度時，才進行形狀轉換，并且為防止在聚合期間聚（NIPAAm） 的分離，需在10℃下打印閥，而且要用乙醇作為折葉的溶劑。所以，如何克服這些醫療應用中的挑戰，是這些溫度敏感結構的下一個研究前沿，并且應該將重點放在針對于臨床應用的后續研究上。

正如我們討論所示，材料科學和3D打印最近已經產生了大量可以對局部內源性和外源性刺激（如溫度變化，離子強度或其他環境因素）作出響應并可逆地和/或不可逆地改變材料的狀態或形狀的設計。雖然“智能”一詞通常被科學界用來描述這種材料，但應該牢記的是這些響應并不一定證明這些系統是“智能”的。雖然本文中提到的最新進展令人興奮，并且它們可能用于生物醫學，但是研究者通常不對這些新提出的概念進行深入的利用和表征的后續研究。盡管他們聲稱這些概念將對藥物遞送或再生醫學等應用有著深遠影響，但研究工作往往停留在初步的證明階段。部分原因可能是由于目前激烈的學術科學競爭環境造成的。為了獲得贈款資金，科學家越來越需要在高影響力的期刊上發表論著。然而，對以前公布的概念的后續研究被認為沒有足夠的創新性，所以其難以被高影響力期刊接收。這又迫使科學家集中于新的思想創新，而不是將其最初思想邏輯發展到最終的生物醫學應用。

然而，為了轉化研究成果，真正應用它們來提高當前的臨床水平，則需要對這些基礎的概念進行詳細和復雜的體外和體內研究，來評估其應用、功效和安全性。目前由全球眾多研究團體共同開發的材料，一個很好的例子是明膠甲基丙烯酰（GelMA），它是明膠的化學衍生物，可以通過自由基聚合交聯。2000年，由Van Den Bulcke等人最初合成并進行流變學表征，該材料后來被鑒定為具有細胞相容性和細胞指導性，此后三維細胞培養模型和支架快速發展。迄今為止盡管該材料仍處于研究狀態，但GelMA和GelMA復合材料的應用非常廣泛，從有機芯片到功能性血管網絡的組織工程，關節軟骨和皮膚，也有越來越多的轉化研究發表出來。因此，我們和其他人正在努力擴展GelMA和GelMA復合材料的醫用級，使更多材料應用于臨床醫學。

3 結語

開發和轉化3D生物打印的多功能智能材料，如果將其應用于再生醫學，應深入研究相關跨學科文獻，并將關鍵設計參數實施于打印體系和形態設計中，使得細胞能夠遷移增殖，并隨后形成血管化組織及重建。