3D打印技術在生物骨支架制備中的研究進展*

劉子博，周武藝，2

(1 華南農業大學材料與能源學院，生物質3D打印材料研究中心，廣東 廣州 510642；2 農業農村部華南熱帶智慧農業技術重點實驗室，廣東 廣州 510642)

1 3D打印技術的概念及其種類

3D打印技術(3DP)，又稱為增材制造，是一種快速成型技術。它是基于數字模型文件，利用可粘合的金屬粉末或聚合物等材料，逐層打印疊加來建造物體。使用計算機軟件進行三維結構設計，然后將其劃分為二維切片數據。計算機控制3DP系統，將這些二維結構逐層打印、堆積成特定結構的三維結構。3DP技術種類繁多，包括光固化立體印刷、選擇性激光燒結、熔融沉積成型、3D生物打印等。

隨著科技的發展及臨床醫學需求的不斷擴大，3D打印技術的應用領域也隨之變得十分寬泛。無論是日常生活用品、工業機械設備還是生物醫用材料，乃至是活體器官植入物等領域，都已經開始廣泛的運用3D打印技術。在生物醫學領域中，3D打印技術已成為制作器官模型、個性化組織工程支架材料及假體植入物、細胞或組織打印等方面的重要手段之一[1]。盡管目前一些替換材料已經可以批量生產，但它們的形狀和結構都是固定的。通過3D打印技術，可以根據不同病人的CT、DEXA結果和損傷情況，進行個性化設計，從而實現假體和病人病變位置的完美契合。此外，還可以針對微觀結構方面進行調節，例如細胞排列方式和材料結構，以更好地促進細胞及組織的生長和分化，達到理想的組織修復效果。因此，近年來，越來越多的生物醫用材料開始采用3D打印技術。本文將側重綜述最新進展的3D打印技術在生物醫學骨支架中的應用。

1.1 光固化立體印刷

Charles W Hull博士于1986年發表了一篇專利，提出了光固化立體打印方法的概念，該方法通過激光掃描彩色光敏樹脂表面并進行固化來制作三維物體。該技術利用通過計算機控制的紫外激光束，依據計算機模型設立的每一個分層截面的路徑逐點掃描，使薄層樹脂在掃描區域發生光聚合或光交聯反應，并進行固化。在一個分層截面固化完成后，工作臺會在垂直方向上移動，在先前已經固化的樹脂表面上覆蓋一層新的液體樹脂再次進行掃描和固化，最終通過逐層疊加得到三維模型。SLA具有精度高、性能穩定以及產品機械強度高等優點，但其成型后的產品需要通過清洗去除雜質，此過程中產品可能發生變形[2]。已有研究表明，光固化立體打印技術可以用于生產生物醫學材料，例如骨[3]、軟骨[4]、血管[5]等，為后期患者的植入修復提供更理想的條件。

1.2 選擇性激光燒結

一般而言，選擇性激光燒結(SLS)一般為一種基于粉狀材料的制造加工技術。在SLS過程中，粉末材料會自然堆積而形成空隙，這些空隙會降低燒結件的密度和機械性能[6-7]。因此，粉末的微觀結構和物理化學特性是SLS工藝中的重要參數，直接影響流動性和堆積密度，最終影響制造部件的密度、尺寸精度和機械性能[8]。一般來說，粉末的球形度直接決定了零件的表觀質量，球形度越好，表觀質量越高[9]。為了制備具有不同單細胞拓撲結構的多孔骨支架，Xu等[10]采用了選擇性激光燒結法，并通過靜態壓縮試驗評估了每種結構類型的骨支架所能承受的最大應力和最大承載力，得到了不同結構骨支架的力學性能差異。體外研究表明，不同結構的骨支架具有不同的力學性能，在臨床中，可以根據患者的不同需求選擇不同結構的骨支架。

1.3 熔融沉積成型

通過底部帶有微細噴嘴的熔融沉積成型(FDM)技術原理是利用計算機控制噴嘴移動到指定位置，在加熱和熔化材料后將其擠出并固化，最終制成三維產品。FDM材料往往由熱塑性成分如聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸、聚氯乙烯和聚乙烯醇等構成。該技術有原理簡單、環保、強度和精度高并不受使用環境限制等優點。近年來，FDM技術已廣泛應用于制藥、生物醫學、汽車和電子器件等領域的產品設計和開發。在一個由Wang等[11]進行的研究中，他們利用聚乳酸為基材，氧化石墨烯為增強劑，以三周期最小表面為多孔材料，成功開發了具有TPMS結構的PLA/GO支架，并對其多孔結構、力學性能和生物學性能進行了評價。機械試驗結果表明，GO可以有效地提高PLA的抗拉和抗壓強度；僅添加0.1%的GO，其抗拉和抗壓模量就分別增加了35.6%和35.8%。然后，設計了TPMS結構支架模型，并使用FDM制備了TPMS結構PLA/0.1%GO納米復合材料支架。通過壓縮試驗可得出結論，TPMS支架的承壓能力高于晶格結構的支架。這是由于TPMS連續的彎曲結構能夠減輕應力集中，并實現更均勻的應力分布。此外，細胞培養實驗結果表明，使用TPMS結構支架的骨髓基質細胞(BMSC)更容易附著、增殖和分化成骨細胞，這是因為TPMS的連續表面結構具有更好的連接性和更大的比表面積。綜上所述，PLA/GO材料制成的TPMS支架在骨修復方面具有潛在的應用前景。

1.4 3D生物打印

生物3D打印技術是一種增材制造技術，通過按需設計的3D模型來精確定位和組裝生物材料，其中甚至可以混合活細胞。通過軟件分層離散和數控成型的方式，可以制造出各種生物醫學產品，例如人工植入支架[12]、組織器官[13]以及醫療輔助設備[14]。這種將生物材料應用于增材制造領域的方法具有十分廣闊的前景。3D打印技術因其具有快速、準確、個性化、差異化的特點，因此很適合制造復雜多變的實體。因此，生物3D打印技術可以與生物材料、細胞培養、醫學成像和軟件輔助技術相結合，為患者特定的解剖結構、生理功能和治療需要設計和制造用于個性化醫療和精準醫療的醫療輔助裝置、人工植入支架、組織和器官等醫療產品。在骨支架領域，Liu等[15]利用3D生物打印技術，采用了納米ATP/GelMA復合水凝膠作為基質，并通過加載BMSCs和MUVECs成功制備了一種具有優良打印性能和機械性能、良好細胞相容性的水凝膠支架。實驗結果表明，該3D打印的水凝膠支架能夠有效促進骨再生和血管生成。可見，3D生物打印技術對生物醫學材料的制備及臨床醫學的治療都具有十分重要的意義。

2 3D打印技術制備的支架材料及其應用

支架材料的三維打印技術具備方便、高度個性化以及高自由度的優點，代表了組織工程支架材料方面的一項重大突破。目前已經出現了眾多通過3D打印技術制備的支架材料，如骨科[16-19]、牙周[20-21]、心臟[22-24]、神經組織工程支架[25]等。這種支架材料應當具備優良的機械性能，能夠精準地打印出三維支架，同時還應當具有良好的生物性能，以滿足細胞增殖和粘著的要求。通常，支架材料可以分為兩類：聚合物和生物陶瓷材料。前者包括海藻酸鹽[26]、殼聚糖[27]、膠原蛋白[28]等高分子材料，這些材料具有良好的延展性和可塑性，可以根據臨床需要進行改良。而后者則包括羥基磷灰石、硅酸鹽、氧化鈣等生物陶瓷材料，其成分接近于骨礦化基質，可促進細胞的增殖和分化，降解率較低，可以更好地促進組織重建，并具備穩定的化學性質、高強度和耐磨性等特點。

3 3D打印骨支架的研究

骨支架具有填充骨缺損、引導新骨生長和在體內承受負荷的作用[29]。然而，骨支架在承受負荷時產生應力集中，而應力集中會導致骨支架開裂或崩潰，導致骨支架的強度不足以滿足骨植入物的要求。因此，為了提高骨支架的力學性能和生物相容性，實現理想的骨組織再生，學者們對再生性支架材料展開了一系列探索。研究表明，支架結構和孔隙率是影響多孔骨支架力學性能和生物相容性的重要因素。

3.1 支架結構

骨支架中的關鍵特征是骨支架結構，因為它會很大程度上地影響骨支架的機械性能和生物相容性。骨支架除了發揮承重功能，還應該能夠促進血管生成。多孔結構的相互連接能夠允許自然細胞的移植和增殖[30]。另外，骨支架結構的最佳設計應該能夠提供足夠的表面積來促進細胞-支架相互作用，并協助氧氣和營養物質的擴散以及廢物的排出。Duan等[31]使用傳統的多孔制備技術提高了直接在微結構上書寫墨水的構建性能，并通過3D凝膠打印(3DGP)成功制備了分層的多孔支架。磷酸三鈣(TCP)納米粉通過化學共沉淀法被涂覆在微米級羥基磷灰石(HA)上，形成雙相磷酸鈣(BCP)。凹形微孔的隨機結構通過在BCP漿料中填充PMMA微球實現，同時成功控制了內部孔隙率的印刷長絲。該研究成功構建了具有三級多孔結構的支架，即1.50～2.00 mm的宏觀孔隙，100～200 μm的球形微孔，以及1.00～10.00 μm的粉末間隙。涂有納米TCP的微米級HA粉末提高了BCP顆粒的燒結能力。在1400 ℃下燒結的支架具有84.98%的孔隙率和2.78 MPa的抗壓強度。這表明，通過3D打印制備的分層多孔BCP支架在骨組織工程方面具有巨大的應用前景。

3.2 孔隙率

在骨組織工程支架的制備過程中，孔隙率是另一個重要的評估支架成型性能的因素[32]。過高的孔隙率會導致支架的力學性能降低，而過低的孔隙率則會阻礙新骨生長，使得植入的支架無法達到預期效果。因此，適宜的孔隙率有助于種子細胞的粘附和增殖，促進營養物質和代謝產物的交換，同時提高支架成骨能力。為此，Zhang等[33]采用UG建模和ANSYS分析，比較了不同孔隙率(50%、60%和70%)的骨組織工程支架模型在理論力學性能方面的差異。此外，使用加入了羥基磷灰石和聚乙烯醇的水凝膠作為支架材料，在嚴格控制纖維間距的條件下，對具有不同孔隙率的3D打印支架進行比較，并綜合分析了支架的宏觀特征、微觀結構以及生物力學性能，最后確定了具有最佳性能的骨組織工程支架的孔隙率。因此，合理選擇孔隙率是提高成骨效率的重要基礎，可以通過實現對孔隙連通性和支架力學性能的調控，使骨組織工程支架能更好地發揮支持細胞和生長因子的作用。

Mohammad等[34]使用3D打印技術制備了一種超材料骨支架，該骨支架是由多個立方體單元堆積而成。其制備了含有不同孔隙率的立方體單元，分別為25%，30%，50%和55%的四種狀態，比較其力學性能及生物相容性。實驗結果表明，30%的孔隙率是最佳的選擇。因此，研究人員使用30%的孔隙率制造了超材料骨架。Velioglu等[35]使用3D打印技術和PLA材料制造了三種股骨樣品，這些樣品包含具有不同孔徑的多孔立方體單元。通過測試得出結論：隨著孔徑大小或孔隙率的增加，機械性能會下降。

4 結 語

3D打印技術的快速發展使人工骨支架的定制和個性化生產成為可能，使其更適合患者的身體特征，這對實現精準醫療和個性化醫療有積極的促進作用[36]。本篇綜述著重闡述了骨支架材料的最新研究。此外，還對不同類型的3D打印/3D生物打印技術在制造骨支架時的打印方法和骨植入物的開發進行了詳細說明。機械性能和生物相容性是生物骨支架增材制造中重點關注的兩個方面，過去的研究證實，支架結構、孔隙率和孔徑大小等因素在改善支架機械性能和生物相容性方面可以發揮重要作用，同時這些方面也是目前改善骨支架機械性能的主要研究方向。

目前，雖然通過3D打印技術對骨支架的力學性能和生物相容性的進行改進已經有了一定的進展，但仍存在一些挑戰。大多數骨支架打印材料的打印條件需要苛刻的打印環境，或植入物制造的后處理步驟，而促進可行的細胞打印環境的3D打印機的設計和開發將有助于改進個性化的骨組織等同物[37]。此外，增材制造是一項昂貴的技術，涉及3D打印機的運行成本、材料成本、消毒、包裝和運輸成本。因此，在決定植入物的成本方面，打印類型存在一個重要的斷點，這需要在未來加以解決。另外，對于可降解的生物可降解骨支架，目前其降解率很難與人體骨再生率相匹配，而材料的復合為解決速率匹配問題提供了一個思路[38]。隨著制造科學、材料科學、力學、生命科學和再生醫學的交叉融合，增材制造生物骨支架將以其獨特的優勢迎來臨床應用的曙光。