骨組織4D生物打印:最先進的新興技術

程子梁 ,吳偉山 ,王象鵬 ,尹紀光*

(1.山東中醫藥大學第一臨床醫學院,山東 濟南 250000;2.山東中醫藥大學附屬醫院關節骨科,山東 濟南 250000)

3D生物打印是一種經過3D生物打印機生成人體組織的技術[1]。4D生物打印在3D的基礎上增加了第4個維度——時間,其關鍵是記憶材料,例如形狀記憶聚乳酸四氧化三鐵聚合物(polylactide/magnetite,PLA/Fe3O4)復合材料、記憶水凝膠等。

骨組織4D生物打印[2-3]是一種新興的技術,操作者可以通過軟件設定模型和時間,在這期間生物材料和細胞按照預設的設計構建成復雜的三維結構,并且可以隨著時間的推移自行變形或運動。時變動態4D打印模式打破了靜態3D打印產品的邊界。

1957年IsYasuda教授發現骨骼的壓電效應能夠控制骨骼的電微環境來促進骨骼愈合與骨重塑。4D打印生物壓電支架能提供可調控的電微環境,促進骨再生,為下一代骨組織工程提供了變革性方法;其誘導骨修復的模式包括物理刺激、化學刺激、生物刺激[4]。Liu等[5]研發了一種聚乳酸納米纖維制成的壓電支架,首次在動物體內實驗,系統地論證了壓電材料作為軟骨修復植入物的可行性。其靠運動產生電荷,增加胞外蛋白吸附、協助細胞遷移和招募,誘導細胞因子分泌,從而達到良好的軟骨修復效果。Ying等[6]通過熱致相分離和致孔浸入技術制備的納米纖維壓電支架。肝素修飾的納米纖維明膠支架在宏觀和微觀上都表現出高彈性和形狀記憶特性,用于兔鼻竇增大中的骨再生,取得了成功。記憶水凝膠是一類具有高生物相容性的可降解的聚合物,已成為4D打印的常見活性材料。Fu團隊[7]合成了一種“剛柔并濟”的記憶水凝膠,將折疊彈性蛋白結構復刻于水凝膠材料,通過打印生成記憶特性的凝膠軟骨,將其植入兔子模型后發現壓縮后即刻復原,體內再生出的骨組織接近于現有軟骨,取得了極好的效果。由于其材料的可控變化性,只需要微創切口將其送到病變部位,便可達到目的。4D打印技術的不斷進步,有望成為解決骨折不愈合、骨缺損等問題的新手段,很可能成為骨科醫學進步的重要組成部分。