3D打印技術及其在醫療領域的應用

劉宸希，康紅軍，吳金珠，曹寧寧，吳曉宏

(哈爾濱工業大學 化工與化學學院 新能源轉換與儲存關鍵材料技術工業和信息化部重點實驗室，哈爾濱 150001)

3D打印又稱增材制造(AM)，是一種以三維(3D)模型數據為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，制造具有多級結構或復雜幾何形狀產品的技術[1]。作為一種快速發展且極具潛力的新型成型技術，3D打印技術在醫學、航天、汽車和食品領域均具有廣泛的應用。例如，3D打印膝關節半月板、心臟瓣膜，嫦娥四號衛星上搭載了多個3D打印鋁合金構件，3D打印低速電動車，3D打印糖果、巧克力、壽司等。此外，在文化遺產保護和修復領域，也有3D打印技術的身影。例如，英國梅得斯通博物館的研究人員利用3D打印技術重塑了2500年前木乃伊的臉部；來自哈佛大學和牛津大學的研究人員將3D打印技術應用于修復被ISIS組織摧毀的貝爾神廟等。

盡管3D打印技術應用范圍很廣，但是目前在生物醫學領域的應用較多。1993年，麻省理工學院(MIT)獲得基于噴墨打印原理的3D打印技術專利，此后MIT一直走在生物3D打印技術的前沿，領軍人物是Robert Langer教授。國外在此領域較為出色的研究人員還有蘇黎世聯邦理工學院的Andre R.Studart教授，哈佛大學的Jennifer A.Lewis教授，加州大學洛杉磯分校的Ali Khademhosseini教授和康涅狄格大學的Savas Tasoglu教授等。

我國在生物3D打印領域的研究起步較晚，但是發展十分迅猛。目前以清華大學顏永年教授和劉冬生教授，西安交通大學盧秉桓院士，上海交通大學王成燾教授，浙江大學賀永教授和四川大學康裕建教授等為主要代表的科研團隊，推動了我國醫療領域3D打印技術的發展。本綜述主要介紹了3D打印技術在醫療領域的研究進展，系統展示了可用于3D打印醫用材料以及3D打印技術在醫療領域的應用。最后，我們總結了3D打印技術在生物醫學領域的應用前景和面臨的挑戰。

1 3D打印技術原理及分類

1986年，Charles Hull[2]在立體光刻工藝的基礎上開發了3D打印技術。3D打印技術的核心原理是“分層制造，逐層疊加”，打印過程主要分為5個部分：一是設計，利用計算機輔助設計軟件(SolidWorks，AutoCAD和ZBrush等)設計數字3D打印對象；二是保存，將設計好的3D打印對象以3D打印機可讀文件格式保存，常見的通用文件格式有立體光刻(STL)文件和虛擬現實建模語言(VRML)；三是導入，將保存好的文件導入到3D打印機中；四是打印，針對原材料特性以及產品要求，選擇合適的絲材，設置打印溫度、速度和壓力等相關參數；五是后處理，打印結束后對產品表面進行處理。

作為快速成型技術，一臺3D打印機可以完成整個制造過程，工藝更為簡化。3D打印技術適于小批量、具有復雜結構產品的生產，傳統制造方式則專注于生產大規模、需要量產的部件，因此3D打印技術與傳統制造技術可優勢互補，共同推進現代制造業向智能化、數字化與網絡化制造轉型。近年來，3D打印技術不斷發展，現已形成包括擠出成型、材料燒結和材料黏合等多種類3D打印技術，如表1[3-11]所示。

表1 不同種類的3D打印技術[3-11]Table 1 3D printing technology based on different principles[3-11]

2 3D打印用醫用材料

雖然人體具有強大的再生能力，但是不同組織的再生能力并不相同。細胞的再生能力受到組織類型、生長激素和物理尺寸等因素的影響，一旦組織損傷超過其自修復限度，就需要外部支持來幫助其完成修復過程。一般將外界干涉支持組織再生的方法稱為組織工程(TE)[12]。構建組織工程人工器官需要三個要素，即種子細胞、支架材料和細胞生長因子，而支架材料作為組織工程的三要素之一，需要具有良好的生物相容性和一定的機械強度，其內部結構會影響細胞活性和細胞增殖。患者的病情各異，需要根據具體情況定制不同結構的支架，傳統的制造方法難以滿足這種個性化定制需求。3D打印技術的出現為患者帶來了福音，它可以提供個性化定制服務，制造具有復雜結構的支架，并大幅提高支架的性能。用于3D打印的醫用材料需要具備良好的生物相容性、可控的降解速率以及形態學上與體內組織相似等特性。根據材料的化學性質，用于3D打印的醫用材料大致分為金屬、陶瓷和聚合物等。

2.1 金屬基生物材料

金屬基生物材料主要包括鈦(Ti)基金屬生物材料和鈷(Co)基金屬生物材料。Ti基金屬生物材料因具有優異的生物相容性、抗疲勞性、耐腐蝕性和高比強度等特性，被廣泛應用于生物醫學領域[13]。

Ti基金屬生物材料作為承重植入物時需要與人體組織之間建立完美的結合。前期研究表明，隨著時間的推移，Ti基金屬生物材料可能被堅硬的組織層包圍，限制其發揮作用；此外由于應力屏蔽效應，使得傳統的Ti64植入物出現與人骨機械性能不匹配的狀況[14]。利用3D打印技術對Ti基金屬生物材料進行表面改性不僅能夠改善其表面磨損性能，還能制造多孔和分級結構以增強骨整合。Zhao等[15]利用電子束熔融(electron beam melting，EBM)技術制備分級Ti-6Al-4V網狀結構，獲得了具有低密度、高疲勞強度和可生物吸收等優點的“硬-軟”梯度細胞結構，這種結構可優化組織生長，并在特定區域承受不同程度的機械應力，其性能均優于均質金屬細胞結構。

盡管3D打印鈦基金屬植入物是應用最廣泛的植入物之一，但其楊氏模量與骨骼的楊氏模量不匹配所引起的應力屏蔽效應是目前鈦基金屬材料存在的主要問題之一。未來，仍需探索更多的鈦基金屬材料處理策略，開發出生物相容性好和綜合性能較優的新型醫用鈦基金屬材料，進而有效地增強3D打印支架的骨整合能力。

鈷基金屬生物材料強度較高且耐磨，在醫療領域主要用于制備承重植入物、牙科植入物[16]以及整形外科重建手術中的輔助工具[17]等。Co基金屬生物材料的高剛度特性易引發應力屏蔽效應，因而限制了其在生物醫學領域的應用。為減少CoCr合金的應力屏蔽效應，Shah等[18]利用EBM技術制備了具有互連開孔結構的CoCr植入物，并將其植入骨缺損的綿羊體內。結果表明CoCr植入物的多孔網絡結構中存在較高的骨細胞密度，證實了多孔CoCr構建體中骨向內生長的可能性。

對CoCr合金進行表面改性處理可增強其耐腐蝕性能，進一步拓寬其應用范圍。Wang等[19]利用激光拋光技術對3D打印CoCr合金支架進行表面處理，處理后的CoCr合金組件耐腐蝕性得到顯著提高，可防止由其制備的牙科植入物在口腔中被腐蝕，進而釋放毒性物質[20]。這一探索對于制備在口腔修復學中應用的牙科植入物提供了新思路。

目前，CoCr合金是應用較多的鈷基金屬材料之一，其主要用于制備牙科植入物。在未來，需要探索利用不同的加工方法，或是在CoCr支架中摻雜其他物質，來減少CoCr合金支架應力屏蔽效應的可能性，進而促進骨整合過程，拓寬其應用范圍。此外，還需尋找更為適合的表面處理方法以避免CoCr合金被腐蝕后釋放有毒物質，以防止其對人體造成傷害。

2.2 生物陶瓷材料

生物陶瓷材料在3D打印應用中的歷史相對短一些，限制其應用的主要原因在于生物陶瓷的加工比較困難。生物陶瓷材料一般用于制備牙齒和骨骼植入物，利用3D打印技術制造精度更高的生物陶瓷牙齒和骨骼植入物，可滿足患者對骨骼和牙齒更換的特殊需求。目前使用較多的生物陶瓷材料主要是磷酸鈣(CaP)和生物活性玻璃(BG)。

CaP陶瓷材料，包括偏磷酸鈣、正磷酸鈣和焦磷酸鈣[21]等。CaP與天然骨和牙齒的組成相似，具有優異的生物相容性，是使用范圍較廣的生物陶瓷材料。Carrel等[22]通過3D打印技術制備了多孔塊狀磷酸三鈣和羥基磷灰石，將其填充到鈦半球中，植入綿羊體內。取出后測試其中的新生骨量，數值是填充顆粒牛骨和顆粒磷酸三鈣的鈦半球的1.8倍。與現有骨替代物相比，在綿羊顱骨模型植入多孔塊狀磷酸三鈣和羥基磷灰石后可增強垂直骨生長，其受控的多孔結構可促使骨床上生成更多的骨，表明這種支架可有效促進骨合成過程。

此外，陶瓷基復合材料植入物引起了學者們的廣泛關注。Jakus等[23]在羥基磷灰石中摻雜聚己內酯(或聚乳酸)制得了一種新型生物材料——超彈性“骨”(HB)(圖1)。實驗證明，3D打印的HB脊柱融合模型不會引起免疫反應，可與周圍組織快速整合并支持新骨生長。HB克服了以往骨科植入物易引起免疫反應或其他不良生物學反應的缺陷，且在結合3D打印技術后植入體內時能夠準確定位，減少了手術操作時間。

圖1 3D打印HB脊柱融合模型和實物圖[23]Fig.1 3D printed HB spinal fusion model and products[23]

生物活性玻璃(BG)是一種以Na2O，CaO，SiO2和P2O5等為基本成分的硅酸鹽玻璃，因其具有更為優越的力學性能，可有效地促進體外和體內成骨[24-26]。在臨床上，BG主要用于制備整形外科和頜面外科的假體，BG顆粒可替代傳統的骨移植來治療慢性骨髓炎、軟組織缺損[27]和傷口[28]等。Zhang等[29]以BG和鍶(Sr)為原料，利用3D打印技術制備了含Sr中孔生物活性玻璃(Sr-MBG)支架。Sr-MBG支架具有均勻的相互連接的孔、高孔隙率和良好的磷灰石形成能力，可刺激成骨細胞增殖分化。

對MBG支架進行表面改性可進一步增強其生物學性能。Zhang等[30]制備了含有分級孔結構和功能性表面涂層的MBG-β-TCP支架，具有高抗壓強度和優異的磷灰石礦化能力。MBG-β-TCP支架可增強體內新骨形成能力和人臍靜脈內皮細胞的附著，使得血管生成基因表達顯著增強。表明利用MBG納米層修飾的3D打印支架可有效改善支架的生物學性能，這是一種改善支架內骨形成情況的新策略。

雖然BG具有良好的生物活性和骨傳導性，但是BG固有的脆性限制了其在臨床醫學中的應用[31]。通過在BG材料中摻入其他可生物降解的聚合物來制備BG復合材料，可有效改善其性能，滿足更為廣闊的應用需求。

2.3 天然聚合物

天然聚合物，例如，殼聚糖、聚乳酸和透明質酸等，具有良好的生物相容性、生物降解性，應用于生物體內時可避免免疫原性反應[32]，故被廣泛用于組織工程和再生醫學中。

2.3.1 殼聚糖

殼聚糖是一種天然聚合物，具有良好的生物降解性、生物相容性和可再生性[33]。殼聚糖鏈上的氨基質子化后具有可溶性，可溶性的殼聚糖應用比較廣泛，例如，制備TE支架、生物傳感器和藥物輸送[34]等。

在以往的研究中，已經證實炎癥反應在組織修復中十分關鍵，惡性的炎癥反應可能導致人體對植入物產生免疫排斥反應。因此，在選擇植入物時，需要將可能的炎癥反應考慮在內。Almeida等[35]通過3D打印技術制造出一種殼聚糖支架，來探究人體單核細胞/巨噬細胞在支架上的炎癥反應。實驗結果顯示殼聚糖支架具有更大的孔隙結構，可顯著地促進促炎癥細胞因子的分泌，進而抑制一些可能的炎癥反應，表明在制造植入物支架時選擇具有適合的表面特性和幾何形狀的生物材料是至關重要的。

殼聚糖本身優異的生物學性質，使其不僅可用于制備植入物支架，還可作為抗菌劑對其他支架進行表面改性處理以避免可能的炎癥反應。Mania等[36]在聚乳酸中摻雜殼聚糖制得了可用于熔融沉積成型(fused deposition modeling，FDM)工藝的3D打印抗菌長絲。通過與不含殼聚糖的支架進行對比分析發現，支架本身并不殺菌或抑菌，但是引入殼聚糖后，殼聚糖對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性均十分顯著。因此，利用殼聚糖對3D打印支架進行表面改性將是一種有效的抑菌手段。基于殼聚糖良好的生物特性和優異的抗菌性能[37]，其被植入人體后可避免可能的炎癥反應，但殼聚糖支架的力學強度并不理想，因而需要探索殼聚糖與其他物質復合制備組織工程支架的方法，以期滿足更多的醫療需求。

2.3.2 聚乳酸

聚乳酸(PLA)是一種天然聚合物，具有優良的力學性能、可降解性和生物相容性，廣泛應用于組織工程、藥物輸送和傷口愈合[38]。PLA可通過酯鍵水解降解，無需酶催化，且降解產物乳酸是人體代謝循環中存在的物質[39]，使得PLA成為3D生物打印領域極具潛力的原料之一。

通過控制PLA支架的結構和可控孔隙形狀等相關參數可制備出符合性能要求的骨科植入物，圖2列舉了一些3D打印產品的微觀圖和實物圖。Fairag等[40]利用3D打印技術設計并制造了具有不同孔徑的微孔PLA支架。使用原代人成骨細胞比較支架上細胞生長、活性和骨樣組織形成情況(圖2(a)),實驗結果顯示，成骨細胞的增殖、代謝活性和骨基質蛋白質的產生情況均十分良好，表明PLA支架本身也能作為骨替代物來修復大段骨缺損。可定制PLA骨螺栓推入骨缺損處，從而允許骨髓干細胞滲透、黏附、增殖并形成新骨。

聚乳酸因具有優異的可生物降解吸收性能而備受關注，但是其與細胞的親和性較低，是限制其在組織工程中應用的主要因素之一。因此需要尋找合適的改性方法，改善聚乳酸材料表面的親水性，使其成為一種理想的組織工程材料。

2.3.3 透明質酸

透明質酸(HA)是一種廣泛存在于結締組織、上皮組織和神經組織中的天然糖胺聚糖，因其具有天然黏彈性、生物降解性和生物相容性，被認為是一種理想的骨組織工程支架材料[41]。

Lam等[42]以基于甲基丙烯酸化透明質酸(HAMA)的生物墨水(bioink)為原料，利用立體光固化成型(stereo lithography appearance，SLA)技術制備了軟骨細胞密度不同的軟骨模型(圖2(b))。研究顯示軟骨分化模式受細胞密度的影響，高細胞密度可增強軟骨典型的帶狀分割，形成細胞外基質(ECM)的軟骨細胞主要分布在表面區域，但在靠近載體膜的更深區域中也有少量分布。HAMA打印的體外軟骨模型，可用于關節軟骨缺損的治療。

透明質酸也可作為一種輔助工具來幫助實現預期治療效果。例如，制備功能性生物鏈以響應藥物治療過程。Mazzocchi等[43]將HA與膠原蛋白Ⅰ的復合產物用于打印含有原代人肝細胞和肝星狀細胞的3D肝組織構建體，結果證明甲基丙烯酸化的Ⅰ型膠原和硫醇化HA可用于打印簡單的生物鏈，支持肝細胞的生長，使其能夠存活兩周并適當地響應藥物治療，這一發現有望將其用于肝病的治療。

盡管在3D打印醫學領域，對HA的探索起步比較晚，但是HA相關產品的發展十分迅速。HA參與傷口自愈合過程的特性，賦予了相關支架潛在的抑菌能力。此外，通過交聯反應，與其他物質復合等可進一步改善其性能，進而拓寬其應用范圍。

2.4 合成聚合物

3D打印的醫學支架最終將應用于人體，因而生物相容性是一種材料是否適用于植入體的基本要求。此外，植入材料必須無細胞毒性、誘變性、致癌性，且不致引發過敏。目前可用于醫療領域的合成聚合物種類較少，主要集中于水凝膠、聚己內酯和聚醚醚酮等具有生物相容性的合成聚合物。

2.4.1 聚己內酯

聚己內酯(PCL)是一種常見的聚合物，具有優異的生物相容性和生物降解性，由于酯鍵水解，PCL在人體體液中可緩慢降解，完全降解產物為二氧化碳和水[44]。此外，由于其優異的加工性能，在3D打印領域有著廣泛的應用。

Kawai等[45]以PCL和磷酸三鈣為原料，利用3D打印技術制備了功能梯度支架(FGS)，所得FGS具有可控的孔隙率、生物降解性和一定的機械強度。將FGS植入到兔股骨頸和頭部鉆孔的骨隧道中，植入8周后取出，顯示FGS支架上新骨向內生長，有含骨髓的骨形成，驗證了FGS支架用于治療早期股骨頭壞死的可能性。

此外，科研人員對PCL復合材料高度關注。例如，Ho等[46]利用3D打印技術制備了孔結構受控的Biodentine(BD，主要成分為硅酸鈣)/PCL復合支架，BD/PCL支架具有良好的磷灰石形成能力，并且能夠支持人牙髓細胞的增殖和分化，證明其是一種有潛力的牙科植入物。

PCL優異的生物學性能、無毒的降解產物等優點使其在生物醫學領域有著廣泛的應用，但是仍存在一些缺陷。例如，PCL的熔點和分解溫度較低，一般的加工方法并不適用，而且PCL的強度較低，所制備的支架力學性能不足。因此，需要探索不同的改性方法來提高PCL材料的生物學性能，使其更好地滿足醫療需求。

2.4.2 水凝膠

水凝膠的高含水量和力學特征與天然細胞外基質相似，因此水凝膠支架可用于模擬體內細胞環境，幫助建立細胞間、細胞與胞外基質間的聯系[47]。在基于擠出水凝膠的3D打印成型方法中，對材料黏度的要求比較嚴格。擠出時，材料需要較低的黏度以便擠出，而沉積時，材料的黏度要足夠高以防止材料在凝膠時分散，且在細胞培養過程中，水凝膠的力學性能不能隨時間改變。現有的3D打印技術雖然可以通過調整材料來達到這些要求，但是這一過程往往是以犧牲細胞的活性為代價的[48]。鑒于此，學者們對水凝膠進行了許多嘗試，以期打破現有局限。

Wang等[49]在透明質酸水凝膠中添加了腙化物，制備了由動態共價化學腙鍵組裝的透明質酸水凝膠，這種水凝膠具有剪切稀化和自修復特性[50]，意味著它可以滿足3D打印不同階段對水凝膠黏度的要求，且在打印完成后可長時間定型。將細胞包封在水凝膠中后打印，結果顯示支架中細胞的存活率與打印前細胞的存活率相當(圖2(c))，證明3D打印構建體中細胞的活性與非打印構建體中細胞的活性沒有差異，突破了以往3D打印水凝膠支架力學性能與細胞活性不能兼得的限制。在水凝膠中添加促進細胞增殖分化的物質，可制得功能性生物墨水，用于組織損傷修復過程。Faramarzi等[51]開發了一種基于海藻酸鹽的水凝膠，可與富含血小板的血漿(PRP)結合形成生物墨水，使用此生物墨水打印的支架可控制PRP相關生長因子的釋放以增強血管形成，并促進干細胞遷移(圖2(d))，用于體內受損組織的治療。

圖2 3D打印產品的微觀圖和實物圖(a)無細胞、成骨細胞和MSC-OST接種支架的SEM圖像[40]；(b)軟骨模型構建過程[42]；(c)3D打印水凝膠支架在空氣和模擬體液(PBS)中的狀態[49]；(d)生物墨水打印的三種不同形狀支架實物圖[51]Fig.2 Microscopic and physical pictures of 3D printing products(a)SEM images of cell-free,osteoblasts and MSC-OST inoculated scaffolds[40];(b)cartilage model construction process [42];(c)state of 3D printed hydrogel scaffolds in air and simulated body fluids (PBS)[49];(d)photos of three scaffolds with different shapes printed by using bioink [51]

目前，有關水凝膠的研究主要是向水凝膠中摻雜生長因子和干細胞等以制成功能性生物墨水，用于構建人體器官模型和修復組織缺陷。隨著對水凝膠制備方法及其在醫療領域探索的不斷深入，可對外界的物理、化學刺激做出快速反應的智能水凝膠將是未來的發展趨勢。此外，還需探索水凝膠與其他材料復合的可能性，以進一步滿足特定器官對于材料成分和結構仿真方面的特殊要求。

2.4.3 聚醚醚酮

聚醚醚酮(PEEK)是一種有機熱塑性聚合物，具有良好的生物相容性、耐熱性、耐腐蝕性等，被稱為“21世紀最有前途的材料”。與基于金屬材料的植入物相比，PEEK的彈性模量和人骨的彈性模量更接近，能夠滿足人體正常的生理需要。

盡管PEEK具有與人體相適應的特性，但是PEEK支架是表面化學惰性的，為了更好的治療效果常需要對其進行表面處理。Oladapo等[52]利用3D打印技術制備基于PEEK、羥基磷灰石和氧化石墨烯(PEEK-HAP-GO)支架以調節支架內部的孔隙率，實驗結果顯示通過對支架內部孔隙率的調整，可有效改善PEEK-HAP-GO支架與體內原有骨的界面整合，提高PEEK植入物的表面生物活性。

目前，3D打印的PEEK相關產品已成功應用于臨床，如椎間植入物、胸骨和血管外支架。在未來幾年中，其將對工程、醫療、牙科等領域產生更大的影響。

3 3D打印在醫療領域的應用

3D打印作為一種快速興起的技術，在醫療領域的應用范圍不斷擴大。3D打印技術在醫療領域的應用主要經歷了以下幾個階段：第一階段是制備患者特定解剖模型、解剖學操縱輔助工具[53]；第二階段是制備個性化的特異性植入物、在植入物上加載活性物質(例如生長因子和藥物)[54]；第三階段是制造骨骼、軟骨、韌帶、半月板和其他結構[55]；第四階段是組織組件與單獨打印的植入物組裝在一起發揮作用[56]。目前在醫療領域，3D打印技術主要用于制備骨科植入物、皮膚代用品、神經修復、打印卵巢和藥物釋放等方面。

3.1 骨科

3D打印技術在骨科的臨床應用上有很多成功案例。2018年，中國的醫生們已經成功實施了首例3D打印肱骨近端假體手術，3D打印截骨工具輔助膝關節置換術，3D打印人工頸椎椎體植入術等手術，為多名患者帶來新的希望。本節將列舉一些未來有希望在臨床上進行應用的案例。

類固醇相關性骨壞死(SAON)是一種骨缺血性壞死，早期治療的主要方法是利用髓芯減壓術去除壞死骨以促進修復，后續用骨移植來填充骨缺損以避免隨后的關節塌陷。Lai等[57]開發了一種聚(乳酸-乙醇酸)/β-磷酸鈣/淫羊藿苷(PTI)支架，PTI支架具有優異的生物降解性、生物相容性和成骨能力，可以提供機械支撐，改善血管生成和調節成骨細胞分化過程，這種新型的PTI復合支架為SAON患者帶來了福音。

椎間融合器是實現脊柱相鄰椎間隙融合的主要植入物之一，其安全性和有效性直接影響相鄰椎體骨融合的效果。Li等[58]以骨骼成熟的綿羊頸椎為融合模型，通過3D打印技術制造了多孔鈦合金支架，在成熟綿羊上進行了骨融合實驗，結果顯示3D打印鈦合金支架的剛度高于PEEK支架，與利用傳統工藝制作的鈦合金支架相比，應力屏蔽效應明顯降低。取出后，3D打印的鈦合金支架內部形成了連續的、緊密相連的骨組織，證明3D打印鈦椎間融合器具有良好的生物相容性，可促進骨向構建體內部生長。

目前，3D打印技術在骨科方面的應用主要集中在骨科支架制備上。未來，3D打印的骨科支架性能將會得到進一步提升，更多的功能性骨科支架將被開發。

3.2 皮膚

皮膚是身體對外部環境的屏障，對生物體的生存意義重大[59]。皮膚替代品作為促進傷口愈合的重要工具，長期以來被廣泛用于患者傷口的治療[60]。利用傳統方法制造的皮膚替代品存在許多問題，例如，仿生學性能不足、生產成本高、尺寸單一、制備耗時長等[61]。因而人們急需一種可以實現低成本、標準化制造皮膚替代品的技術，3D打印技術的出現為解決這一問題提供了可行的方案。

典型的組織工程皮膚構建體缺乏皮膚的復雜特征。例如，皮膚色素沉著、毛囊甚至汗腺[62]。Ng等[63]利用來自正常人皮膚組織的三種不同的原代皮膚細胞：角質形成細胞(KCs)、黑素細胞(MCs)和成纖維細胞(FBs)進行實驗，探究了制造具有均勻皮膚色素沉著的3D體外著色人體皮膚構建體的可行性。實驗結果顯示，在3D生物打印的人皮膚構建體中存在發育良好的角質形成細胞。這是黑色素轉移過程中必需的細胞，而且根據對色素的追蹤，發現其可在構建體上均勻分布。

3D打印皮膚構建體為皮膚缺陷或皮膚損傷患者的治療提供了一種有效的解決方案，且3D體外有色人體皮膚構建體，可用于潛在的毒理學測試和基礎細胞生物學研究。隨著研究的深入，3D打印皮膚構建體或許可以在更多的方面幫助患者。

3.3 外周神經修復

神經導管可以連接兩個神經末梢，引導軸突再生，為施萬細胞的聚集和增殖提供營養環境[64]。想要制造具有優良性能的神經導管需要考慮兩個問題：一是原料選擇，二是表面改性和支架制造。制備的神經導管應滿足以下要求，一是可連接缺損的神經，二是可為軸突再生提供穩定的環境保障，三是在成功將受損神經連接后，神經導管可有效降解，為神經進一步生長提供空間。

功能性神經修復支架可在給予神經恢復空間的同時，釋放相關的藥物以加速修復過程。Tao等[65]制備了含藥物的3D打印水凝膠導管，不僅為軸突伸長提供物理微環境，還可促進神經再生。這種功能性支架可有效促進坐骨神經損傷的形態學、組織病理學和體內功能的恢復，這是一種有前景的自體移植物，未來有望在臨床中得到廣泛應用。

目前3D打印技術在神經修復領域上的應用相對較少，但這是一個前景十分廣闊的醫學領域，它可以彌補傳統治療手段治標不治本的弊端，通過細胞不斷增殖促進神經突觸再生，有望恢復受損神經的功能。

3.4 3D打印卵巢

卵巢位于女性盆腔內，主要功能是產生和排出卵細胞，分泌性激素，以促進女性性征發育并維持其正常活動。若卵巢出現問題，會導致女性不孕，并且影響患者的健康。

Laronda等[66]以水凝膠為原料，利用3D打印技術制得了具有不同幾何形狀孔隙的微孔水凝膠支架，分別探究了支架對卵巢卵泡細胞的支持情況。實驗結果顯示，隨著支架內相互作用的增多，卵泡細胞擴散受限并且存活率增加，支架變得高度血管化。另外，在沒有使用外源性血管生成因子情況下，生物假體卵巢在植入1周后即變得血管化。隨后研究人員將其植入卵巢缺陷的小鼠體內，發現其卵巢功能完全恢復，且通過自然交配生產了幼崽。

3D打印女性卵巢旨在幫助成年婦女恢復產生雌性激素和生育的能力，3D打印卵巢目前還停留在實驗室階段，要想將其真正的應用于人體，還需解決血管分布等相關問題。

3.5 藥物釋放

3D打印片劑能夠實現藥物的可控釋放，患者可根據身體狀況，靈活改變藥物攝入量。而且在狹窄治療指數藥物使用上，3D打印技術提供了一種制造包含精確劑量藥物片劑的方法，可降低劑量變化和用藥錯誤帶來的潛在風險。

目前可直接以藥物為原料進行3D打印，可避免因載體不穩定性和不定載藥量對治療效果產生的影響。Kadry等[67]以羥丙基甲基纖維素和地爾硫卓(模型藥物)為原料制得了3D打印機用長絲，隨后打印得到的片劑以口服形式向大鼠給藥，通過跟蹤藥物，準確繪制了藥物釋放曲線。

Pere等[68]利用3D打印技術制備了用于透皮輸送胰島素的聚合物微針貼片，該微針貼片以木糖醇作為載體來保持胰島素的完整性和穩定性，并加快其釋放速率。跟蹤研究結果，無論如何設計微針，胰島素均可在30 min內迅速釋放且未被破壞，證明3D打印技術可用于制造具有生物相容性的微針貼片。

3D打印的微針貼片與傳統注射胰島素方式相比，可減輕患者痛苦，便于攜帶，并且胰島素的釋放速率可控。患者可針對當天身體狀況，靈活改變胰島素攝入量。此外，透皮微針是直接將藥物釋放到皮下脂肪中，避免了口服給藥過程可能引起的副作用，可應用到激素類藥物輸送中，以避免由此引發的肥胖問題。未來3D打印透皮微針貼片或許可在更多的疾病治療上幫助患者。

3D打印技術也可用于制備口腔崩解片劑(ODT)，ODT在與唾液或口腔中的少量水接觸后即可實現藥物吸收，增強人體對藥物的吸收度。Li等[69]利用3D打印技術在較低溫度、無溶劑的情況下制備了速釋葛根素片(圖3)，通過對打印片劑內部結構的調節實現了對藥物溶解速率的控制，且采用水溶性載體聚乙二醇來增強藥物溶解性。克服了傳統方法制備葛根素片溶解性差，生物利用度低的缺陷。

圖3 3D打印技術制備速釋葛根素片的過程[69]Fig.3 Process flow of rapid release puerarin tablets prepared by 3D printing technology[69]

3D打印的口腔崩解片劑，可以調節其內部空隙大小，個性化給藥，減少患者痛苦。同時也可以解決在部分特殊情況下無法獲得足夠飲用水服藥的問題。未來，會有更多的藥物應用到3D打印口腔崩解片劑中。

4 未來發展趨勢

近年來，3D打印技術已成功應用于醫學領域，對一些需要植入物移植的疾病防治起到了關鍵性的作用，私人化定制的特點使得其能夠更貼近患者的需求，為人體組織與植入物之間建立良好紐帶提供堅實基礎。相比于傳統的植入物制造工藝，3D打印技術具有諸如速度更快、成本更低、生物相容性更好和炎癥反應更小等顯著優勢。盡管3D打印的出現極大地改變了生物醫學領域以及其他行業的技術現狀，但是3D打印仍然存在一些問題。

3D成型植入物是靜態的、無生命的。故將植入物移植到體內，其并不能隨著內環境的變化而進行相關的適應性調整，因而無法達到理想的治療效果；3D打印的細胞相關產品不能根據外界刺激進行相應分化，且常規3D打印過程會對細胞活性產生一定影響。盡管目前也有相關研究顯示在水凝膠中添加腙化物可以不影響其中包封的細胞活性，但是目前這種探索僅進行了體外實驗。

綜合3D打印在醫療領域的研究現狀可知，限制3D打印技術進一步發展的主要因素是3D打印材料。目前使用的固態醫用材料主要來源于對金屬基材料、水凝膠、磷酸鈣等已有材料的復合改性。這些傳統固態材料3D打印產品的特點是一次成型，幾乎不會因為環境變化而改變。液態材料生物墨水是一種自定義材料，可根據產品需要添加相關的生長因子和營養物質等以滿足細胞增殖分化所需。然而人體內的環境較為復雜，許多反應機制尚不明確，現有的生物墨水雖然能夠打印出組織、器官，但并不能用于人體移植，仍需更多的探索和嘗試。

基于此，4D打印技術應勢而生。最初，4D打印被認為是“3D打印+時間”，隨著研究的不斷深入，4D打印的定義逐步完善，目前普遍認可的理論是：當3D打印結構受到預定刺激時，它的屬性和功能會隨時間變化。在生物醫學領域常見的刺激是溫度、水和磁場。利用可根據外界刺激進行調整的生物打印材料，4D打印可以制造出具有“活性”且結構更為復雜的，與天然組織結構非常相似的工程化組織結構。

4D打印技術在繼承了3D打印技術優點的同時，彌補了現有3D打印的一些缺陷。例如，4D打印的血管內腔涂層內皮細胞膜可以減少血栓形成，防止血管堵塞；4D打印藥物輸送系統可根據內環境的pH值和溫度變化改變藥物封裝和釋放過程；4D打印的智能響應水凝膠可根據響應性動態重新配置結構且對細胞活性沒有影響。在未來，4D打印技術在醫學領域會有更為廣闊的應用，解決組織工程和藥物遞送等領域的難題。