3D打印生物組織工程支架的應用研究

劉曉飛 張堃 張寧

摘? 要：3D生物打印組織工程領域具有巨大的潛力，三維立體光刻技術因其精度高、細胞可植入等特點尤其適用于生物支架的制備，文章分析了軟組織工程支架的關鍵性能，介紹了三維立體光刻技術在軟組織工程中的應用。

關健詞：3D打印;組織工程;工程支架;機械性能

中圖分類號：TP391? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0187-02

Abstract： 3D printing of biological tissue engineeringhas great potential in the field of tissue engineering. Three-dimensional lithography is especially suitable for the preparation of biological scaffolds because of its high precision and cell implantability. The key performance of soft tissue engineering scaffold is analyzed in this paper. The application of three-dimensional lithography in soft tissue engineering is introduced.

Keywords： 3D printing; tissue engineering; engineering scaffold; mechanical properties

前言

由于人類每年面臨的肌肉骨骼、心血管和結締組織損傷和替換的數量，軟組織支架引起了人們極大的興趣。由于不同類型的軟組織在大小、形狀和強度上的差異，準確地替換或修復這些組織是具有挑戰性的。隨著立體光刻等先進加工技術的發展，支架分辨率控制到毫米級是可以實現的，同時還可以定制每個預制支架以匹配目標替換組織。將先進的制造技術與聚合物性能相匹配，并保持適當的化學、生物和機械性能來進行組織置換，是一項極具挑戰性的工作[1-2]。

三維（3D）打印是一種制造技術，允許對構建的腳手架的結構和尺寸進行精確控制。在微/納米尺度上控制特征尺寸的能力是可以實現的，并且取決于3D打印技術。立體光刻（SLA）是一種常見的3D打印工藝，與其他增材制造技術相比，它可以更好地控制組織支架的尺寸和特性。精確控制體系結構的能力所制備的支架無論是構建可重復的同種支架還是制備特定于患者的模板，對再生醫學都有很大的益處。

1 軟組織工程支架的關鍵性能

1.1 細胞毒性

為了潛在地替換或修復健康的活體組織，合成或天然支架必須提供細胞粘附和增殖所需的仿生結合位點。在設計組織工程支架時，細胞在支架中的放置和分布對于實現適當的功能和分化至關重要。這種功能與細胞外基質的相互作用以及缺乏活躍血管系統的營養物質擴散。支架不得含有任何導致細胞壞死或凋亡的細胞毒性元素。常見的細胞毒性來源包括構建支架的大分子、光聚合所用的引發劑、聚合物合成中的有機溶劑殘留和聚合物降解產物。越來越多的自由基損傷細胞被認為會導致更高的細胞毒性。優化SLA中使用的光引發劑是提高生物相容性的關鍵，SLA制備聚合物支架的循環發現方法。營養物質通過支架對細胞的正常生長很重要。缺乏營養物質的擴散，或細胞無法遷移，會阻礙細胞增殖，從而降低支架加速組織生長的潛力有效修復和再生。在設計新的大分子和支架、細胞外基質相互作用的因素以及營養物質擴散的影響時，必須考慮到所有這些因素。

1.2 支架降解

降解機理和降解速率是設計新型組織工程支架的重要化學性質。組織工程支架一般分為永久性和可生物降解兩大類。這兩種類型的支架具有不同的用途，需要不同的化學和生物特性。永久性腳手架不得降解并且需要保持和復制與它所替代的軟組織相關的物理特性。植入式永久支架是在組織損傷無法修復的極端情況下使用的。控制降解速率和降解類型對于為特定應用設計支架非常重要。體積侵蝕和表面侵蝕是支架降解。在表面侵蝕過程中，支架從外到內逐漸退化，逐漸收縮。

1.2.1 水解可分解鍵

水占人體的70%左右，促使組織工程支架中水解可切割連接的廣泛應用。在設計生物可降解組織工程支架的高分子材料時，必須考慮到使支架具有水解敏感性所需的化學成分。合成聚合物中最常見的水解敏感功能是酯鍵。酯具有共同的有機功能，經過水解產生羧酸和醇的離子。如果酯在聚合物主鏈中，發生鏈斷裂，由此產生的小分子被排出體外。酯通常在SLA聚合物的端官能化時形成。丙烯酰化反應含醇的氯代或甲基丙烯酰氯分別由丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯生產，其中含有酯官能。

交聯丙烯酸支架的水解。甲基丙烯酸酯的降解速度往往比丙烯酸酯慢，程度也比丙烯酸酯小。主鏈上的超疏水甲基使甲基丙烯酸酯聚合物的親水性降低，并且在嘗試水解酯時引入空間限制。聚合物組成、交聯密度、結晶度和支架添加劑均影響支架的降解速率。用于軟組織工程應用的聚合物需要具有彈性和柔性，因此不考慮半結晶聚合物。混合這些聚酯隨著其他更靈活的聚合物導致降解率的改變和材料的力學性能更適合軟組織支架。

1.2.2 酶解鍵聚酯的快速隨機鏈水解

由于低PH值導致局部組織酸性，從而對細胞生長產生負面影響并導致力學性能受損。在聚合物網絡中加入酶可分解的鍵不僅可以實現支架的可控降解，而且還可以作為細胞粘附和遷移的生物活性部分。許多用于組織工程和再生醫學應用的材料從聚合物主鏈或側鏈水解降解。側基化學、結晶度、親水性等，調整聚合物的水解降解能力。

通過在聚合物主鏈中引入酶可切割的連接，組織再生和重塑過程模擬了自然細胞驅動的細胞外基質降解，導致細胞遷移和侵襲，以及由此重塑的組織。在自然組織中，細胞外基質蛋白水解酶降解導致細胞遷移，對細胞分泌的酶作出反應。膜結合蛋白酶，如基質金屬蛋白酶（mmps），有助于細胞外基質重塑的自然過程，并且在生物材料中通過加入含有這些蛋白酶可切割序列的天然蛋白質，如膠原蛋白或纖維蛋白，進行理想的重建[3-5]。

1.3 機械性能

為了復制體內組織特性，特別是生物力學功能，理想的組織工程支架應該復制本地組織的力學特性。當選擇一種聚合物來復制一個目標組織時，本體力學特性作為起點幾乎沒有價值。低聚物的性質隨著分子量的變化而急劇變化。這使得支架剛度的理想調節能夠與目標組織相匹配。逐層組裝和控制腳手架的微觀結構也提供了通過建筑設計調整腳手架機械性能的更多控制。控制結構物機械性能的其他方法包括樹脂添加劑、超分子相互作用和交聯密度。3D打印合成和天然聚合物機械特性，顯示了未來在組織再生中的應用前景。

2 3D打印技術的應用

增材制造能夠制造新的和獨特的結構，通常不能使用標準加工技術實現。材料擠出3D打印技術，如熔融沉積建模（FDM）、噴嘴沉積直接打印、熔融繪圖或成型，由于高熱躍遷，與金屬或熱塑性塑料（如半結晶聚酯）一起使用。擠壓和成型添加劑制造工藝通常按需以刀具路徑方式沉積熔融樣品。顆粒印刷技術，如選擇性激光燒結（SLS）使用聚合物粉末構建支架。這些技術分別燒結特定的層來構建三維支架。另一種常用的腳手架增材制造技術是光聚合，如SLA。與材料擠出和SLS相比，使用數字掩模投影設備（DMD）一次制造整個層的能力在打印速度上提供了優勢。總制造時間取決于印刷件的尺寸、所需的整體特征分辨率、高度層厚度和照片聚合物固化動力學。來自掩模投影SLA的光一次固化一層，與分別在材料擠壓或SLS/SLA中固化一層的噴嘴或激光光柵形成對比。

當瞄準軟組織支架時，因為SLA在可打印材料中更為通用，可見光SLA能夠在細胞存在的情況下制造支架，提供更均勻分散的細胞支架結構，并消除制造后種子植入。SLA制造使用光源精確控制聚合物支架的微尺度（DMD掩模投影）和納米尺度（雙光子聚合或先進的光刻技術）。結構的逐層組裝是使用一個階段來實現的，該階段移動所需厚度的距離以允許新的層到光固化。共層高度在SLA范圍從25mm-200mm。計算機輔助設計軟件通常用于打印光控制結構和尺寸。設計對象的計算機輔助設計文件或3D對象被分割成不同的層。這些層用于引導光源固化聚合物。這項技術允許個性化醫療，因為對患者組織成像可以生成與被替換組織幾乎相同的三維復制品。光源和成像光學控制支架（外形尺寸和單個特征）的最終尺寸、分辨率和精確度。最小特征分辨率范圍為5mm-300mm。通常用于SLA的光源包括廣譜紫外線（UV）燈、單色激光和可見光。光源決定了光的發射波長，SLA光源（紫外光和激光）會影響細胞并引入突變，損傷細胞。可見光SLA技術消除了紫外線的有害影響，并允許細胞分散在聚合物樹脂中制造支架。SLA設置通常使用自下而上或自上而下的方法來設計。

3 結束語

結合化學、材料科學和生物技術是開發可生物降解軟組織工程支架的關鍵。合成或天然聚合物本身并不能表現出最佳支架所必需的所有性能。測試新聚合物并結合聚合物系統性已經研究的有助于開發新的和改進的生物降解組織工程支架。這些聚合物還必須保持降解的能力，并且必須保持必要的機械性能，以便在加工后替換目標組織。使用SLA在天然聚合物上構建支架的工作受到限制。因此，將合成的、可調的聚合物力學性能與天然聚合物的生物學性能相結合，創造出一種功能性組織工程支架是將來研究的重點。

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