3D 打印技術在創面愈合中的研究進展

吳子豪 杜偉斌 全仁夫

皮膚作為人體最大的器官，承擔著防御、免疫、代謝等多種功能。而在日常生活中，急性皮膚損傷隨處可見，具有發病率高、并發癥多等特點[1]。皮膚遭受大面積損傷后，患者會面臨著感染、休克，甚至死亡的威脅。目前我國每年復雜難愈合創面治療需求有3000 萬人次，而整個創面治療的需求更是高達1 億人次[2]。傳統治療方式中，中醫以“清熱祛腐，活血化瘀，補虛生肌”為大綱，輔以中藥治療，而西醫以植皮、清創縫合、反復換藥為主，但這些方案不僅治療周期長、花費較大，而且愈合后皮瓣功能差、傷口欠美觀，即使引用了負壓封閉引流技術（vacuum sealing drainage，VSD），仍然可能會加重原本的積血現象，有時也可因負壓時間過長導致創面干燥、壞死[3]。而隨著生物材料學、三維（three-dimensional，3D）打印技術的進步，傳統治療方案中的弊端將有望被解決。本文對3D 打印在創面愈合領域的研究進展進行綜述，現報道如下。

1 創面愈合概述

創面愈合是指各種因素造成皮膚缺損后，局部組織通過增殖、分化、重建等方式恢復局部生理結構和功能的過程。創面修復的階段包括：炎癥反應、新血管的生成、細胞增殖、創面成熟重建等環節[4]。創面愈合過程面臨著諸多挑戰，最常見的因素包括溫度、濕度、pH 值、排異、各種疾病的影響等。除此之外，創面愈合還面臨著氧化應激反應導致的細胞凋亡、創面愈合過程中炎癥持續狀態、血管再生以及可能存在的細菌感染問題等，不僅使創面愈合速度大大減慢，甚至有可能使得創面狀態進一步惡化，是目前創面愈合中亟需解決的重點、難點。

隨著3D 生物打印技術的進步，人工工程皮逐步被應用于臨床，通過對生物材料、生化物質和活細胞的逐層精確定位，以及對功能部件位置的空間控制，來制造具有生物和機械性能的3D 功能活體人體結構，適用于創面愈合的臨床恢復。

2 生物3D 打印與創面愈合

2.1生物3D 打印在創面愈合中的研究進展 3D打印原理簡單來說就是將材料以快速制造技術，將其逐層打印并疊加在基板上，以此構造任何物體。劉煜凡教授等[5]在動物模型中找到了最佳微結構，以促進表皮干細胞的增殖分化并維持較高細胞活性，為構建3D 生物打印組織工程表皮以及全層皮膚模型奠定了基礎。隨后的眾多實驗驗證了3D 打印支架可促進細胞增殖與維持細胞活性[6-8]，彰顯了3D 支架在細胞層面上的巨大潛力。

皮膚還包括表皮層、真皮層和皮下組織等結構，目前的人工皮、敷料等功能單一，還無法模擬皮膚復雜的功能，因此多層次、多方位的3D 打印是解決當前復雜皮膚功能的一種方法。胡錦花等[9]利用生物3D 打印技術具有細胞定位精確，逐層打印高效的特點，基于皮膚分層結構進行打印，在體外快速構建高仿真的多層皮膚組織模型。這項研究表明，3D 打印可以在體外還原復雜的皮膚結構，為進一步還原皮膚功能奠定基礎。

基于皮膚的特殊性，Wei等[7]提出，3D 打印材料需要符合皮膚組織原有機械性能，主要包括：（1）生物相容性，即不會引起機體排斥反應；（2）力學性能，即具有一定的強度和柔韌性；（3）可降解性，即可以降解被機體吸收。打印材料標準的明確，讓3D 打印開啟了飛速發展模式，呈現出了材料科學、納米科學、生物技術應用多學科交叉融合發展大趨勢[8]。

除了上述方面的研究，3D 打印的模式也發生了變化，除了最常見的噴墨式打印與擠壓式打印外，激光直寫細胞打印技術、立體光刻細胞打印技術、聲波驅動式細胞打印技術等相繼面世，并取得了不錯的成果[10]。

2.2生物3D 打印在創面愈合中的優勢

2.2.1細胞存活 細胞的增殖分化貫穿創面愈合的始終。中醫上可使用包括古漢愈瘍方等中藥方劑，促進成纖維細胞、表皮細胞增殖，加速創面愈合[11]。現代醫學則經常使用脫細胞同種異體真皮等來促細胞活性，但附著在相應基質上的細胞存活率仍然較低，且面臨著人體的排斥反應[12]。

相比于過往的醫療技術，3D 打印大大增加了細胞與細胞之間、細胞與基質之間的相互作用[13]，以支架的形式，搭載相應的細胞與基質，促進細胞增殖與分化，在一定程度上彌補了常規手段治療創面損傷時細胞過度凋亡的缺陷。Han等[14]研究發現，良好的孔徑率可以使細胞附著力提高，大大增加了細胞的存活率。Pereira等[15]使用光固化3D 打印技術，在固化成型的同時不擠壓細胞，最大程度使細胞存活，為創面愈合提供良好的細胞環境。隨著研究的深入，支架中搭載的基質，也越來越符合細胞生長所需要的環境條件。Wang等[16]研發出了載細胞水溶膠，細胞在水溶膠內更加容易增殖，形成3D 細胞網絡，加速創面愈合過程中細胞的增殖。綜上所述，在3D 打印技術的加持下，創面修復過程中細胞的存活率及存活環境得到了極大提升，使創面可以更快更好地恢復。

2.2.2血管再生 創面早期血管損傷后，創口組織面臨著缺血、缺氧壞死的風險，并且營養細胞、局部代謝等都有賴血管的調節，因此，血管的再生是極為重要的一環。目前常用的手段包括中醫方劑，如紫黃生肌膏等可使血管內皮生長因子水平增高，促進血管再生[17]，或者是現代醫學研究中的脂肪間充質干細胞等也可促進血管再生，但局部感染問題、難以量化中草藥有效成分濃度等缺陷始終是中西醫結合治療創面損傷過程中需克服的困難[18]。

在常規的治療手段中，血管再生幾乎只能靠自愈，愈合周期長，所以需要尋找能夠引導血管內皮細胞黏附、增殖、生長并在移植到創面后盡快建立微循環的方法。多孔支架內微/納米纖維網絡的使用，能夠大大促進內皮細胞的黏附與增殖[19]。生物活性玻璃可促進內皮細胞和成纖維細胞之間的旁分泌效應，進而達到促進血管生成的目的，與靜電紡絲納米纖維復合成新型材料，打印成支架后在糖尿病創面修復中起到了較好的血管誘導作用[20-21]。還有不同成分的水凝膠，在干預創面后可見微血管密度明顯增加，尤其以海藻酸鈉-殼聚糖復合水凝膠最為明顯[22]。研究顯示，采用記憶性能與生物相容性好的材料作為支架基礎，按照本體血管的形狀進行打印，在回植創面后，新生血管與本體動脈結構相似，契合人體原本的血運狀態，改善了創后局部血循不暢的問題[23]。

2.2.3抗炎癥反應 炎癥反應是創面愈合過程中面臨的另一大難題，創面炎癥的持續會改變微環境，進而影響創面愈合時間，所以，控制好炎癥反應才能更好地促進創面愈合。目前常見的治療方法有中藥熏洗，或使用激素類物質抗炎[24]。相較于傳統治療方式，3D 打印可使藥物盡可能地被吸收[6]，減少藥物浪費，并且不良反應較激素明顯減少。

根據文獻報道，3D 打印技術可降低患者氧化應激反應，減少炎癥持續時間[25]。還有研究指出，定向排列的3D 多孔網狀結構比蜂窩煤狀垂直貫穿的3D多孔網狀的炎癥發生率更低，為3D 生物打印的排列提出了更高的要求[26]。有學者指出，3D 打印材料制備的聚己內酯管型支架的生物相容性不如脫細胞材料好，炎癥指標相對較高，所以當前研究傾向使用脫細胞基質進行打印。目前常見的生物來源有豬、牛、山羊、大鼠的組織器官等，不僅材料來源更廣，也更具有仿生性，通過一定的構造手法，可形成對細胞友好的3D 水凝膠結構[27-28]。除了以上材料外，目前國內的一些學者將目光放到了傳統的中醫藥方面，其中黃芪提取物黃芪多糖可通過使促炎細胞因子腫瘤壞死因子-α 和白細胞介素-1β 的表達上調，抑制抗炎細胞因子轉化生長因子-β 的表達，以此達到抗炎的效果[29]。同時還可以增加抗氧化酶活性和降低過氧化脂質水平，并且提高機體的免疫和抗氧化性能[30]。雖然炎癥反應在創面愈合全過程中較為常見，但應用3D打印技術后，不管是3D 結構的構造，又或者是所使用材料的應用，都可以大大降低或者抑制炎癥的發生，為炎癥治療與管理提供新的思路與方法。

2.2.4抗感染 感染是外科創面中常見的并發癥之一，70%的難愈性創面都有生物膜的形成，這些生物膜則是感染的主要原因[31]。目前多用抗生素來抗感染治療，但長期應用會產生耐藥性，加大治療難度，因此，創面感染的治療，也是創面愈合的關鍵之一。

大量體外研究證明，不同支架所附著的細菌種類及數量都不同，主要以支架表面粗糙程度來決定[32]。傳統敷料及生物材料的制備，無論模鑄、鑄塑，又或是技術，都會在微觀上造成一定的幾何誤差，給菌落提供附著地，造成感染，而3D 打印技術其精確程度可及納米層次，最大程度使打印物表面光滑，菌落難以附著[33]。Pérez-Tanoira等[34]發現，島狀陣列突起可使生物材料與細菌減少接觸，以達到減少菌落附著的目的，還可以使用3D 圖形軟件設計3D 打印微圖案來增加生物材料的抗感染能力。

使用抗感染材料打印皮膚支架是另外一種解決感染的途徑。由于菌落分布位置的不同，即使傳統敷料中添加抗生素，也無法針對性抗感染，但3D 打印可根據其精確的空間控制能力，使抗菌材料分布在不同位置，更加針對性抗感染。還可通過使用抗菌材料納米銀等構建支架，抑制細菌增殖，達到抗菌目的[35]。總之，目前生物3D 打印較傳統方式，抗菌效果更好，更加具有針對性，隨著3D 打印技術精度的提高與3D 打印材料的開發利用，3D 打印技術將成為創面愈合的主流方法。

3 小結

本文綜述了3D 打印在創面愈合中的部分研究進展。（1）生物3D 打印技術在細胞層面上的突破，為支架打印奠定了基礎，最佳微環境的發現，使細胞活性大大提高；（2）3D 打印可以還原皮膚3D 結構，為進一步模擬皮膚功能，體外制備人工皮提供了更加廣闊的思路；（3）生物3D 打印材料標準的提出，使各類人工皮與人工支架選材做到了有據可依，加速了創面愈合材料的研究，為新型人工皮的研制奠定了基礎；（4）除了常規的打印技術，生物3D 打印在皮膚打印技術方面也有了長足的進步，如激光直寫細胞打印技術、立體光刻細胞打印技術、聲波驅動式細胞打印技術的相繼出現，更是為創面愈合提供了寶貴的技術支持。

關于3D 打印在創面愈合中的優勢，有如下幾點：（1）3D 打印技術的使用可保證細胞的存活率，避免因細胞早期過度凋亡而帶來創面延遲愈合，并創造有利于細胞增殖分化的微環境；（2）3D 打印結合相應的材料，能夠加快血管再生，更符合原血管形態，加速創面的愈合；（3）在愈合過程中，可通過3D結構的構造與不同打印材料的選擇，降低炎癥反應發生率；（4）針對感染的發生，3D 打印以其精確的空間控制與搭載材料的選擇，控制菌落的附著與增殖，達到較好的感染控制率。

但目前3D 打印的缺陷也同樣明顯：（1）3D 打印物尚未應用于人體，僅在動物或細胞試驗中展開，難以觀察到臨床的相關數據；（2）創面的研究多以糖尿病、燒傷為主，缺乏其他疾病狀態下的創面資料，所以相關打印材料的選擇仍有待進一步擴展；（3）3D打印材料過于昂貴或難以獲得，暫時無法量產等。

總體來說，作為新型創面愈合手段，3D 打印因可提高創面愈合速度，降低炎癥反應與感染率等不良影響而逐漸成為一種新的趨勢，希望本文可以為相關研究提供更多的思路，同時期待3D 打印技術在創面愈合臨床治療中有著更加廣泛的應用，為創面損傷患者帶來更加經濟實惠的治療方案。