3D打印天然高分子材料在醫學領域的應用進展

摘 要：近年來，3D打印技術由于在生物醫藥的個性化定制及成型精度高等獨特優勢，已逐漸成為醫學領域研究人員廣泛使用的前沿新技術.來自中藥和食品的天然高分子材料因具有優異的生物相容性、環境友好型、可降解性、免疫活性及對環境無污染等優勢，而被廣泛運用于3D打印.然而，缺失可個性化定制和良好機械性能的材料是限制3D打印在產品制造中廣泛應用的阻礙，3D打印天然高分子材料在醫學領域具有巨大的前景，但相關總結綜述較少.為此，介紹了近年來國內外3D打印天然高分子材料（生物墨水）的分類，重點分析了所使用的3D打印技術特點、生物活性，以及在醫學領域的應用前景和現有研究的不足，為天然高分子材料作為3D打印生物墨水的研究和應用提供了新思路.

關鍵詞：3D打印技術;天然高分子材料;復合材料;生物醫學應用

中圖分類號：R318.08

文獻標志碼：A

0 引 言

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，將粉末狀金屬、工程材料和生物材料等可黏合材料通過逐層打印的方式來構造三維物體的技術.3D打印技術可以通過立體光刻成型、選擇性激光燒結、熔融沉積成型及噴墨打印等多種方式實現，從而大大提高制作的精度和效率.3D打印技術不僅具有學科交叉性強、靈活性高、成本低與打印速度快等特點，而且可實現批量打印，能夠極大地提高效率、節省成本，現已成功應用于生物醫療、產品設計與機械制造等多個領域［1-2］.天然高分子聚合物材料具有良好的生物相容性與生物降解性，促進組織再生的能力，優異的機械強度與變形能力，以及無毒或低免等優點，成為3D打印墨水（是天然高分子生物材料、生物活性分子和細胞等混合物放置于3D打印機的墨盒中用于生物打印的材料）的優良候選材料之一.在所有植物和動物源性生物天然聚合物中，最具代表性的是多糖和蛋白質，其在自然界中的種類和含量豐富，均具有眾多分子內和分子間氫鍵組成的復雜多維結構，因此，從化學結構來看，多糖和蛋白質具有運用在3D打印中的可行性.基于對3D打印生物材料的開發與應用，本文對已有研究報道的天然高分子生物材料作為3D打印原料，如殼聚糖（CS）、海藻酸鈉（SA）、透明質酸（HA）、絲素蛋白（SF）、膠原蛋白（COL）、纖維素（CMC）、木質素及中藥多糖成分等，歸納其運用于3D打印技術與醫學領域的研究進展，為深入運用3D打印技術開發創新醫藥產品提供參考和借鑒.

1 3D打印的天然高分子材料

1.1 CS

CS是最豐富的天然生物聚合物之一，是通過幾丁質脫乙酰基獲得的天然多糖.CS由氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖單體通過β（1-4）糖苷鍵連接，具有生物降解、生物相容、抗菌抗炎和抗氧化作用［3］.與其他天然生物材料相比，CS的交聯速率更快，可溶于酸性條件，其中帶電基團（NH3+）之間的離子排斥表現出剪切稀化行為，可用于基于擠出的3D打印.為了解決CS復合支架力學性能差、溶脹率過大和降解率過快等問題，鄭月艷［4］采用工業廢渣微硅粉純化后的納米級二氧化硅（SiO2）作為增強材料，采用3D打印技術制備了一種低成本、高強度、低溶脹、降解可控及生物相容性優異的骨組織工程支架，為骨組織修復支架提供了一種新思路.李耀明等［5］利用物理混合的方式制備了CS/聚乳酸/羥基磷灰石/聚乙烯醇（PVA）復合水凝膠材料，通過設計正交試驗，以抗壓強度為評價指標，探究骨支架復合材料的最優配比，得出在乙酸濃度為3%，殼聚糖溶液濃度為5%，羥基磷灰石/聚乳酸質量比為1∶6，羥基磷灰石/聚乳酸/CS溶液/PVA凝膠 = 2∶1∶1∶4 時，復合材料支架具有良好的力學性能，再與擠出式3D打印相結合，制備出符合骨組織工程支架力學強度要求的復合材料骨支架.陳凱等［6］通過同樣的結合方式，將PVA濃度為5 wt%，羧甲基殼聚糖（CMCS）濃度為1 wt%，SA濃度為0.8 wt%的混合溶液裝入生物3D打印機料筒中，將打印好的試樣進行冷凍干燥處理，再浸泡在2 wt%的氯化鈣（CaCl2）溶液中交聯，接著放入-20 ℃的冰箱中冷凍6 h，室溫解凍2 h，循環4次，將試樣浸泡在去離子水中，每6 h換水1次，換水6次，得到載銀PVA-CMCS-SA水凝膠傷口敷料，最后進行性能測試發現，可用于創面止血.當使用海藻酸鹽溶液制備組織工程支架時，3D打印水凝膠的結構和形狀保真度通常難以保證，海藻酸鹽溶液最大濃度的黏度也不足，沉積的細絲容易熔合和塌陷.將CS粉末加入到海藻酸鹽溶液中，可以有效提高海藻酸鹽溶液的黏度.在用鹽酸（HCl）溶液處理后，分散在海藻酸鹽溶液中的CS可與海藻酸鹽反應，從而獲得可3D打印的海藻酸-CS-聚離子復合物（AlChPIC）水凝膠［7］，并且很好地應用于組織和器官支架領域中.另外，將CS水凝膠填充纖維素納米纖維（CNF）之后，無需對生物聚合物成分進行改性或添加化學交聯劑［8］，就可讓CS/CNF懸浮液（油墨）在剪切速率下1 s時的黏度低至100～500 Pa/s，并允許沉積具有良好的機械性能和打印分辨率（220～430 μm）.綜上，通過相關優化，CS在修復椎間盤、軟骨和半月板等機械要求苛刻的水凝膠組織方面具有巨大潛力［9］.

1.2 SA

SA是一種通過α-1，4糖苷鍵將β-D-甘露糖醛酸（M段）和α-L-古羅糖醛酸（G段）殘基連接起來的一種天然陰離子多糖，通常從褐藻中提取得到［10］.SA是一種純天然無毒、可生物降解和非免疫原性的線性多糖.由于SA具有先天生物相容性良好、低細胞毒性和高含水量，并能模仿天然細胞外基質（dECM）等優點而備受關注，且被公認為是生物墨水中具有潛力的基質.與單獨使用SA相比，SA/瓊脂糖（AG）生物墨水的溶脹比和含水量分別降低了53.48%和48.24%，SA/COL生物墨水的溶脹比和含水量分別降低了43.02%和34.78%.使用 AG 或 COL 打印的SA 抗壓剛度分別提高了近2.38倍和1.87 倍.SA/COL和SA/AG的拉伸行為表現出顯著的強化和增韌效果［11］，比單獨使用SA的時候分別提高了124.48%和162.08%.有研究表明，在軟骨組織工程中，復合水凝膠材料在用作3D打印生物墨水時比單獨使用SA更具優勢.例如，余海洋等［12］使用 SA、明膠（GT）和芍藥苷制作生物墨水，將其通過水浴加熱攪拌，再利用3D打印機制備出用于具有藥物釋放的皮膚支架，為糖尿病足潰瘍創面愈合提供了新的解決思路和方法.不僅如此，Sultan等［13］將纖維素納米晶體（CNC）加入SA和GT的水凝膠墨水中制造出雙交聯互穿聚合物網絡（IPN）的完全生物基多孔支架，經過共價和離子反應依次交聯，從而產生尺寸穩定的水凝膠支架，孔徑為80～125 μm，其納米級孔壁粗糙度有利于細胞相互作用.由于低濃度的SA溶液表現出非常低的黏度和空間之間的結構注入，使其難以打印.將GT添加到SA溶液后，可打印出完全互連、定義明確的支架結構.使用INKREDIBLE生物打印機［13］制備，在室溫打印1%～6%（w/v）SA和3%～8%（w/v）GT的各種水凝膠，含3%（w/v）SA和4%（w/v）GT的支架顯示出印刷結構變形，但3.25%～4%（w/v）SA和4%（w/v）GT的支架顯示出高結構保真度.通過評估5種不同SA濃度和GT濃度水凝膠樣品的流變特性［10］，得出隨著水凝膠中SA濃度的增加，SA/GL水凝膠強度也隨之增加的結論，該結論可用于開發體外腫瘤共培養球體［14］，為癌細胞體外3D培養提供更優質的觀察模型.

1.3 HA

HA是一種黏多糖類物質，具有良好的生物相容性及可降解性，在組織工程學及醫學領域得到了廣泛應用［15］.盡管HA在細胞遷移、血管生成和促細胞增殖方面表現都較好［16］，但因其黏性過大、成型性差等因素，未經修飾的HA在打印時不穩定，但將HA與其他天然高分子材料結合作為生物打印墨水，在利用光固化或者擠出式3D打印方式時可提高材料的可打印性和可行性.如將HA鈉鹽進行化學修飾，再用物理交聯的結合方式，結合丙烯酸羥乙酯（HEA）和甲基丙烯酸化明膠，此水凝膠在自制多材料打印系統中（配備了旋轉雙壓力驅動擠出機和加熱設施）制備，非常適用于以骨細胞負載的生物打印.另外，還有研究表明［17］，用氧化透明質酸（OHA）膠原蛋白和低聚原花青素（OPCs）等天然材料組成的三維支架，可對關節軟骨進行修復.為了得到機械強度、自修復和剪切稀化性能更好的水凝膠生物墨水，還可利用動態腙交聯透明質酸（HA-HYD）和光交聯明膠甲基丙烯酸酯（GelMA），開發一種雙網絡（DN）水凝膠［18］.由于剪切稀化，DN水凝膠生物油墨可以被擠出形成均勻的細絲，再逐層印刷以制造支架.因GelMA擁有長絲自修復性能和可光交聯的特性，將其與HA混合可獲得具有高機械強度的集成且穩定的印刷結構，是3D打印組織工程支架的有力材料.正是由于HA獨特的生理功能、良好的水溶性及易被改性等優勢［19-20］，該打樣品能應用到軟骨修復和骨組織工程支架等領域，拓寬了3D打印應用領域.

1.4 SF

SF是一種天然生物聚合物和纖維蛋白，因其具有生物相容性、免疫系統低不良反應，以及在體內可被天然存在的蛋白水石酶降解［21］，已經在組織工程領域得到廣泛應用.基于水溶液特性，SF可以進一步加工成薄膜、顆粒、水凝膠、纖維、海綿和微粉等不同類型的材料.雖然SF的低黏度，限制了其成為3D打印生物墨水，但增加其濃度和添加其他高黏度的添加劑可改善SF印刷加工性能和生物活性.通過改性的方式［22］，SF可靈活運用于光固化3D打印.例如，利用光氧化維持蛋白質結構和消除化學修飾，經過接枝甲基丙烯酸酯的化學改性方法，讓SF在光的作用下發生自由基聚合，再利用光固化3D打印進行打印.還有通過辣根過氧化物酶［18］催化交聯結合酪胺改性GT與SF，并利用醇溶液處理引發其β-折疊構象改變后，可以顯著提升SF/GT水凝膠力學性能，且在不同濃度的SF/GT水凝膠中，低取代度明膠水凝膠低聚糖（LGT）/SF力學性能提升最明顯，壓縮模量從0.5 MPa上升至約1.5 MPa，這樣的理化性能很適宜作為軟骨再生修復的支架材料.還可與Ⅰ型膠原按照7∶3的質量比均勻混合，經網格過濾器去除不均勻的大塊復合物后，裝入注射器，離心去除氣泡并密封，利用低溫 3D 打印機，調節打印速度和擠出速度，制備具有網格結構的SF/I型膠原復合物，該復合物可用于軟骨工程支架［23］.SF優良的力學性能和極佳的生物相容性使其在軟骨再生修復有很好的應用前景，SF通過不同材料進行改性或者與其他材料結合，能在骨組織修復與血管再生等領域提供更優異的醫用材料［24］.

1.5 COL

COL是動物組織最主要的構造性蛋白質，同時也是復合材料（ECM）最重要的組成成分，由于COL具有良好的生物相容性、生物降解性、修復性、保濕性和親和性，以及很低的免疫原性，從而被廣泛應用于組織工程與再生醫學等領域.純COL水凝膠的力學性能相對較弱，降解速度過快，嚴重阻礙了其在3D生物打印中的應用［21］.該物質與CS的結合可以抑制其快速降解，提高機械強度，還可以提高CS的生物相容性.含有2%（w/v）COL和2%（w/v）CS的支架具有均勻而緊湊的蜂窩狀結構［25］，純COL支架具有很好的彈性.但隨著COL/CS支架中CS比例的增加，COL/CS支架的斷裂伸長率顯著降低，表明CS的添加可以提高COL混合物支架的剛性.通過低溫打印［26］，生物墨水的黏度隨著氫鍵相互作用的增加，對擠出長絲進行快速固化，保持打印支架固化，有利于人體器官支架的打印.COL之所以沒有被廣泛運用于骨組織再生領域，是由于其機械強度較弱，需要結合其他支撐材料或提供細胞保護機制.SF具有相對較高的機械性能，二者相結合，能克服其缺點，再結合去細胞化的dECM［27-28］，還能提高打印材料的細胞生物活性.礦化膠原支架（MCS）是骨修復的理想材料.除了模擬天然骨組織的結構外，MCS還可以進行功能再處理，以提高修復骨缺損的性能.MCS的物理和化學性質，如形態、組成、交聯和機械環境，都會影響骨缺損的修復.此外，不同類型細胞和生長因子的加入，將賦予支架功能更加多樣化.Liu等［27］使用硫酸乙酰肝素作為交聯劑，利用COL的優點，增強兩者結合物的機械質量和熱穩定性，同時硫酸乙酰肝素可大量結合生長因子，保護其免受蛋白酶降解，增強和延長生長因子的活性.最后將制備好的混合溶液通過3D打印機，打印出用于大鼠創傷性腦損傷后神經恢復的COL/硫酸乙酰肝素支架.另外，Li等［29］將采用固體自由曲面制造技術［30］開發的骨移植物與3%的去端COL混合，倒入模具，在37 ℃下孵育15 min，然后深度冷凍6 h，冷凍干燥12 h.然后將基于COL的生物材料浸入含有50 mmol/L 1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺（EDC）和20 mmol/L N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）的乙醇/水（90%，v/v）助溶劑中，在室溫下進行24 h以有效交聯，再將聚己內酯（PCL）/聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）/β-磷酸三鈣（β-TCP）復合塊骨移植物植入缺損處，經過一段時間的觀察，可以發現骨移植物周圍都有新生血管和新骨的形成.因此，COL具有優異的生物相容性和降解性，以及改善其他高分子材料性能低的優點，在骨、軟骨與皮膚等再生領域已經有廣泛的應用［31］.

1.6 GT

GT是一種水溶性功能蛋白，通常由皮膚或骨膠原蛋白通過酸或堿處理產生［12］.GT是可生物降解的，具有很高的生物相容性，從而能模仿細胞外基質（ECM）并使細胞黏附與抗原性差.GT具有合適的流變性能和熱敏性，在使用擠出3D打印時有很大優勢，因此廣泛用于生物醫學材料領域.然而，GT水凝膠同樣存在機械性能較差的缺點.在塊狀水凝膠中建立大孔結構可能會進一步削弱其物理性質，特別是結構穩定性和機械強度.制備復合材料用于骨修復的仿生支架是增強機械性能的有效方法.其中，GT-酪胺是通過碳化二亞胺介導的明膠羧基和酪胺氨基的縮合反應形成的［7］，將GT和鹽酸酪胺結合，再加入SF組合可適用3D打印機制備復合水凝膠，可以實現孔隙結構的自適應控制，利用GT分子在辣根過氧化物酶和氫的催化下可以與SF分子快速交聯成2O2.SF來作為結構基質，并通過與GT和其他SF分子的酶交聯，從而提供結構穩定性，生產具有預定內部孔結構機械穩定的水凝膠.GelMA是高溫下水解的GT和COL發生反應變性的產物，因其優異的生物相容性、可生物降解性和可成型性，經常用于生物醫學領域.為了制備GelMA水凝膠，將10 g GT在60 ℃下溶解在100 mL的磷酸緩沖鹽溶液（PBS）中，完全溶解后，滴加2 mL非牛頓潤滑酯（MAnh），反應3 h.之后再將預熱至40～50 ℃的400 mL PBS加入至溶液中，并混合15 min，在40～50 ℃下不斷攪拌后，并對去離子（DI）水進行透析.最后，對GelMA溶液進行過濾和凍干以備進一步打印使用，用同樣的方法也可以制備甲基丙烯酸化SF.GT和GelMA相結合制備的復合支架可以局部遞送芬戈莫德免疫抑制劑（FTY-720）［32］.GT依靠優異的流變性能、生物相容性與生物降解性結合3D打印技術使材料快速擠出成型，同時對細胞起到保護和支撐的作用，然而，應用在構建醫學領域產品方面還需進一步完善［33］.

1.7 CMC

CMC主要存在于植物中，也存在于動物、真菌、細菌和藻類中.從化學角度來看，CMC是一種天然均聚物，是由β-1，4糖苷鍵鍵合的葡萄糖重復單元組成［32］.目前，研究最深入的天然CMC基于3D打印材料是CNF水凝膠.CMC納米材料主要分為CMC納米結構材料和CMC納米物體.CMC納米結構材料有很多，例如CMC微晶和CMC微纖維.在一項研究中［34］，水性聚氨酯（PU）作為一種綠色的高性能彈性體，可以作為打印材料，但PU分散體的黏度太低，無法直接進行3D打印，通過引入CNF制備可印刷PU復合材料，并在原位合成過程中通過中和劑的用量有效調控了其黏度.透射電子顯微鏡（TEM）圖像顯示，CNF將多個PU納米顆粒連接起來形成“串”結構.PU/CNF支架采用低溫3D打印，具有出色的圖案保真度和結構穩定性，可以優化組織工程支架.Hu等［35］將天然CMC溶解在二甲基亞砜（DMSO）和四丁基氫氧化銨（TBAH）的有效混合水溶液中，CMC溶液的擠出由改進的熔融沉積建模（FDM）3D打印機控制.在受控擠出3D打印過程中，黏性CMC溶液將在室溫下的空氣中凝膠化，并進一步固化成預定的3D構型.隨后，當3D圖樣與去離子水進行溶劑交換時，獲得CMC水凝膠骨架.最后，采用交聯劑處理方法改善CMC水凝膠支架的力學和溶脹性能.結果表明，天然CMC溶液在DMSO/TBAH水溶液中因其特殊的流變特性而適合擠出3D打印.Nectarios等［36］利用高轉速實驗室混合器實現CNF在樹脂中的分散，制備了0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的純生物醫學透明樹脂及納米復合材料衍生物，并進行了分析測試，使用高長度/直徑（L/D）比例的CNF對醫用級紫外（UV）固化樹脂［33］進行改性，以提高樹脂的原始性能.與純固化樹脂相比，CNF的添加能增強機械性能.以上研究表明，CMC能通過一系列的修飾手段，如物理、化學或者生物的方法，生成性質各異的CMC衍生物，包括CMC醚類、CMC酯類、微晶CMC及納米CMC等，且均能應用于3D打印中，其中，納米CMC在3D打印中的應用最為常見.CMC能夠改性的一大主要原因就是CMC分子表面上分布著大量的羥基，這就使得CMC在外力的作用下具有很好的改性和功能化的潛力，可以作為增強其他材料機械性能的輔助劑，使其在3D打印領域有很好的發展前景，比如組織工程支架與軟骨組織等方面.

1.8 木質素

木質素是僅次于CMC第二豐富的生物聚合物，主要來自植物.在化學上，木質素是一種雜聚合物，由3種不同的取代酚—木質素交聯而來（松柏基、芥子酰和對香豆醇）［37］.正是由于木質素具有可持續性、無毒性、生物相容性和生物降解性［12，38-39］，才逐漸被開發并在3D打印醫學領域中使用，然而，由于木質素在普通溶劑中的不溶性，單獨使用不利于制備水凝膠，限制了其在3D打印的應用.為了將木質素纖維分散在生物塑料基質中，一種常見的方法［40］是先混合干聚合物和增溶劑粉末，然后添加木質素.木質素可以通過化學機械程序進行預處理以使其功能化.由于木質纖維素是吸水劑，在加工前可能需要將其干燥.經干燥和混合后的生物復合粉末可以直接送入熔體擠出機，也可以通過熔融復合、壓制和切碎預先加工成顆粒.通過在擠出機內部熔化和機械剪切，混合物將進一步復合.通過共混其他高分子材料木質素可開發作為一種較新的3D打印材料，并將其與CMC進行類比，是否能代替CMC作為3D打印材料，目前還值得探索［41］.

1.9 中藥多糖

中藥多糖，如白及多糖、黃芪多糖和天花粉多糖等，具有提高免疫力、抗腫瘤、抗氧化和降血糖等藥理作用［41］，但如今中藥多糖劑型單一，制備過程復雜且成本相對較高，人體順應性差.3D打印技術高效與可定制的特點與中藥多糖結合，能提高中藥多糖在不同領域的應用.有研究表明，通過快速的溶劑（丙酮、甲醇、二甲基甲酰胺和乙腈）交換可以立即誘導白及多糖表面硬化，讓白及多糖在使用擠出式3D打印時表面硬化.這種方法既不需要化學改性，也不需要改變材料的物理混合，就能制造具有更高形狀及高保真度的多糖免疫調節支架［42］.還有研究發現，選擇具有降糖活性和抑菌活性的中藥天花粉多糖或黃芪多糖，用共價交聯和雙交聯的方法制備打印墨水，利用熔融沉積3D打印機并在打印過程中用噴壺在打印機噴頭噴灑15%的氯化鈣溶液使其固化成型，可采用控制羧甲基CS的濃度及凝膠和創面接觸的形狀來控制藥物的釋放速度［43］.龐運芬［44］在魔芋多糖上引入甲基丙烯基，合成可光聯的甲基丙烯酸化魔芋多糖，利用光固化3D打印技術，制備魔芋多糖水凝膠支架用于組織工程中.結果表明，魔芋多糖引入甲基丙烯基后，可以提高打印后支架形狀保真性，通過調節機械合金化（MA）的接枝度，可調控支架的力學性能、孔徑大小、溶脹性能和降解性能，且低接枝度的魔芋多糖水凝膠支架的生物學相容性較好，更適于培養細胞.也有研究人員將黃芪多糖分為不同的濃度梯度，利用物理混合的方式溶于SA/GT/SF水凝膠中，利用擠出式3D打印制備出復合支架，具有優異的生物相容性，可為醫用敷料提供新材料［45］.同樣地，Pan等［46］也有在大豆蛋白復合物水凝膠打印墨水中加入金針菇多糖，經過熱處理后使水凝膠黏性更低，強度更高，具有更均勻和致密的微觀結構，最后在印刷過程中不易損壞，從而獲得更穩定的印刷產品.綜上所述，可以采用快速溶劑交換處理、噴灑15%的氯化鈣溶液、接枝甲基丙烯基、熱處理及形成復合水凝膠的方式，讓中藥多糖成為生物打印墨水，以擴大其應用范圍.

2 結 語

隨著3D 打印技術的不斷發展，3D打印在醫學領域的應用越來越廣泛.由于其可個體化及精準度高的特點，能更有效地解決傳統打印支架結構不完善與患者個性化損傷的問題.本文對CS、GT和CMC為代表的天然高分子材料在3D打印方面的研究進行了大量總結歸納（見表1），將這些天然高分子材料結合成復合材料，或者通過物理化學方式對其進行修飾［47］，能夠解決單用存在的性能缺陷等.天然高分子材料打印出的各種產品都具有免疫調節性能、力學性能、低細胞毒性和抗菌能力等［48-50］，在組織工程［51-52］、創面輔料［53-54］和藥物遞送［55-57］等方面發揮了巨大的潛力，并在眾多研究中得到了證實［58］.

對于3D打印天然高分子材料的研究主要存在3個方面的薄弱環節：一是，制備高精度和高機械性強度的打印墨水或能裝載細胞和因子等活性物質的載體材料是天然高分子材料3D打印研究中的難點；二是，支架機械性能差的天然高分子材料多使用化學改性，也存在安全性風險，商業化應用阻力較大；三是，評價打印支架的性能還沒有形成公認的標準，影響行業發展.因此，使用無殘留的方法制備高精度和高機械性強度，或者能夠裝載細胞和因子的打印墨水，以及盡快形成質量評價標準，是促進3D打印技術在天然高分子材料中運用需要解決的問題.

參考文獻：

［1］Feng C，Zhang M，Bhandari B.Materials properties of printable edible inks and printing parameters optimization during 3D printing：A review［J］.Crit Rev Food Sci，2019，59（19）：3074-3081.

［2］楊杰，胡浩磊，李碩，等.3D打印生物墨水在組織修復與再生醫學中的應用［J］.中國組織工程研究，2024，28（3）：445-451.

［3］Abd El-Hack M E，El-Saadony M T，Shafi M E，et al.Antimicrobial and antioxidant properties of chitosan and its derivatives and their applications：A review［J］.Int J Biol Macromol，2020，164：2726-2744.

［4］鄭月艷.微硅粉強化海藻酸鈉/殼聚糖水凝膠支架的3D打印制備與性能研究［D］.蘭州：蘭州大學，2022.

［5］李耀明，姜宏，石永芳.殼聚糖/聚乳酸/羥基磷灰石/聚乙烯醇復合材料骨支架的制備及表征［J］.中國組織工程研究，2022，26（18）：2888-2893.

［6］陳凱，柴琦，王豐艷，等.基于3D打印載銀聚乙烯醇—羧甲基殼聚糖—海藻酸鈉水凝膠傷口敷料構建及性能表征［J］.復合材料學報，2022，39（12）：5879-5891.

［7］Liu Q，Li Q，Xu S，et al.Preparation and properties of 3D printed alginate-chitosan polyion complex hydrogels for tissue engineering［J］.Polymers，2018，10（6）：664-1-664-13.

［8］Tamo A K，Doench I，Walter L，et al.Development of bioinspired functional chitosan/cellulose nanofiber 3D hydrogel constructs by 3D printing for application in the engineering of mechanically demanding tissues［J］.Polymers，2021，13（10）：1663-1-1663-10.

［9］高瑋男，劉賀，王中漢，等.生物3D打印重建骨科彈性組織的研究進展［J］.國際老年醫學雜志，2022，43（5）：607-611.

［10］孫士儒.具有不同拓撲結構的海藻酸鈉—明膠復合水凝膠的3D打印制備及其性能研究［D］.太原：太原理工大學，2022.

［11］Yang X，Lu Z，Wu H，et al.Collagen-alginate as bioink for three-dimensional （3D） cell printing based cartilage tissue engineering［J］.Mat Sci Eng，2018，83：195-201.

［12］余海洋，游德淑，顧曉誠，等.基于生物3D打印技術的芍藥苷—海藻酸鈉—明膠皮膚支架體外生物相容性研究［J］.介入放射學雜志，2022，31（6）：582-586.

［13］Sultan S，Mathew A P.3D printed scaffolds with gradient porosity based on a cellulose nanocrystal hydrogel［J］.Nanoscale，2018，10（9）：4421-4431.

［14］Mondal A，Gebeyehu A，Miranda M，et al.Characterization and printability of sodium alginate-gelatin hydrogel for bioprinting NSCLC co-culture［J］.Sci Rep-UK，2019，9（1）：19914-1-19914-10.

［15］王云萍.明膠—透明質酸復合雙網絡水凝膠及其在3D打印組織工程支架材料中的應用［D］.北京：北京協和醫學院，2022.

［16］Noh I，Kim N，Tran H N，et al.3D printable hyaluronic acid-based hydrogel for its potential application as a bioink in tissue engineering［J］.Biomater Res，2019，23（1）：3-11.

［17］Lee C F，Hsu Y H，Lin Y C，et al.3D printing of collagen/oligomeric proanthocyanidin/oxidized hyaluronic acid composite scaffolds for articular cartilage repair［J］.Polymers，2021，13：3123-1-3123-9.

［18］Wang Y，Chen Y，Zheng J，et al.Three-dimensional printing self-healing dynamic/photocrosslinking gelatin-hyaluronic acid double-network hydrogel for tissue engineering［J］.ACS Omega，2022，7（14）：12076-12088.

［19］張建勛.基于改性明膠GelMA的光交聯抗菌材料的制備及性能研究［D］.無錫：江南大學，2022.

［20］張夢帆.雙交聯透明質酸自愈合水凝膠的制備及其性能研究［D］.武漢：武漢紡織大學，2022.

［21］俞林雙，金萬慧，周穎，等.絲素蛋白/茜草素復合纖維膜的制備及應用［J］.現代紡織技術，2023，31（5）：58-65.

［22］Mu X，Sahoo J K，Cebe P，et al.Photo-crosslinked silk fibroin for 3D printing［J］.Polymers，2020，12（12）：2936-1-2936-11.

［23］徐晟.3D打印絲素蛋白/明膠水凝膠支架及其在軟骨再生修復中的應用研究［D］.廣州：華南理工大學，2019.

［24］古孝雪，于晶，楊明英，等.絲素蛋白3D打印在生物醫學領域中的應用［J］.化學進展，2022，34（6）：1359-1368.

［25］袁清獻，高麗蘭，李瑞欣，等.3D打印絲素蛋白-Ⅱ型膠原軟骨支架［J］.山東大學學報（理學版），2018，53（3）：82-87.

［26］Suo H，Zhang J，Xu M，et al.Low-temperature 3D printing of collagen and chitosan composite for tissue engineering［J］.Mater Sci Eng C，2021，123：111963-1-11963-8.

［27］Liu X Y，Chen C，Xu H H，et al.Integrated printed BDNF/collagen/chitosan scaffolds with low temperature extrusion 3D printer accelerated neural regeneration after spinal cord injury［J］.Regen Biomater，2021，8（6）：rbab047-1-rbab047-20.

［28］Lee H，Yang G H，Kim M，et al.Fabrication of micro/nanoporous collagen/dECM/silk-fibroin biocomposite scaffolds using a low temperature 3D printing process for bone tissue regeneration［J］.Mat Sci Eng，2018，84：140-147.

［29］Li Q，Xu S，Feng Q，et al.3D printed silk-gelatin hydrogel scaffold with different porous structure and cell seeding strategy for cartilage regeneration［J］.Bioact Mater，2021，6（10）：3396-3410.

［30］Liu X Y，Chang Z H，Chen C，et al.3D printing of injury-preconditioned secretome/collagen/heparan sulfate scaffolds for neurological recovery after traumatic brain injury in rats［J］.Stem Cell Res Ther，2022，13（1）：525-1-525-9.

［31］曾奕葦，劉海，沙川路，等.3D打印膠原基材料及其在口腔組織再生修復中的應用［J］.皮革科學與工程，2023，33（2）：47-54.

［32］Yang J，Deng C，Shafig M，et al.Localized delivery of FTY-720 from 3D printed cell-laden gelatin/silk fibroin composite scaffolds for enhanced vascularized bone regeneration［J］.Smart Mater Med，2022，3：217-229.

［33］阮長順，胡楠.力學增強的明膠基生物3D打印材料及其組織再生研究［J］.醫用生物力學，2021，36（S1）：151.

［34］Chen R D，Huang C F，Hsu S H.Composites of waterborne polyurethane and cellulose nanofibers for 3D printing and bioapplications［J］.Carbohyd Polym，2019，212：1-14.

［35］Hu X，Yang Z，Kang S，et al.Cellulose hydrogel skeleton by extrusion 3D printing of solution［J］.Nanotechnol Rev，2020，9（1）：345-353.

［36］Nectarios V，Markos P，Nikolaos M，et al.High-performance medical-grade resin radically reinforced with cellulose nanofibers for 3D printing［J］.J Mech Behav Biomed，2022，134：105408-1-105408-9.

［37］許曉東，周驥平，張琦，等.明膠/氧化納米纖維素高彈性模量高孔隙皮膚支架的3D打印工藝［J］.中國組織工程研究，2024，28（3）：398-403.

［38］苑田忠.木質纖維素微/納米纖絲形態與流變特性關系及其在乳液中的應用［D］.廣州：華南理工大學，2021.

［39］侯昕彤，李再興，姚宗路，等.深度共熔溶劑預處理木質纖維素研究進展［J］.科學通報，2022，67（23）：2736-2748.

［40］Zarna C，Opedal M T，Echtermeyer A T，et al.Reinforcement ability of lignocellulosic components in biocomposites and their 3D printed applications：A review［J］.Compos Part C-Open，2021，6：100171-1-100171-7.

［41］蔣向向，盧蕓，豐霞，等.木質纖維素基包裝材料研究進展［J］.木材科學與技術，2022，36（6）：13-23.

［42］Liao Z，Niu Y，Wang Z，et al.A “nonsolvent quenching” strategy for 3D printing of polysaccharide scaffolds with immunoregulatory accuracy［J］.Adv Sci，2022，9（34）：e2203236-1-e2203236-13.

［43］閆金鑫.天花粉多糖/黃芪多糖水凝膠的制備及性能的評價［D］.蘭州：蘭州理工大學，2018.

［44］龐運芬.光交聯的魔芋葡甘聚糖墨水的制備及3D打印支架的研究［D］.南寧：廣西醫科大學，2020.

［45］杜偉斌，沈福祥，楊亞冬，等.黃芪多糖—膠原—海藻酸鈉—絲素蛋白3D打印支架的制備及其生物相容性研究［J］.中國中醫骨傷科雜志，2022，30（1）：1-4.

［46］Pan H，Pei F，Ma G，et al.3D printing properties of flammulina velutipes polysaccharide-soy protein complex hydrogels［J］.J Food Eng，2022，334：111170-1-111170-10.

［47］Zheng Z，Eglin D，Alini M，et al.Visible light-induced 3D bioprinting technologies and corresponding bioink materials for tissue engineering：A review［J］.Engineering，2021，7（7）：966-978.

［48］蔣波，張玲，張佩，等.3D打印多孔鉭浸提液體外細胞毒性和遺傳毒性研究［J］.中國藥業，2022，31（8）：53-57.

［49］聶然.3D打印MXene復合水凝膠支架對口腔感染性骨缺損抗菌成骨作用的研究［D］.長春：吉林大學，2022.

［50］儲筠.雙交聯海藻酸鹽基生物材料在組織工程中的應用研究［D］.合肥：中國科學技術大學，2021.

［51］Shen Y，Tang H，Huang X，et al.DLP printing photocurable chitosan to build bio-constructs for tissue engineering［J］.Carbohydr Polym，2020，235：115970-1-115970-8.

［52］Zhou F，Hong Y，Liang R，et al.Rapid printing of bio-inspired 3D tissue constructs for skin regeneration［J］.Biomaterials，2020，258：120287-1-120287-9.

［53］Long J，Etxeberria A E，Nand A V，et al.A 3D printed chitosan-pectin hydrogel wound dressing for lidocaine hydrochloride delivery［J］.Mat Sci Eng，2019，104：109873-1-109873-9.

［54］Ajdary R，Ezazi N Z，Correia A，et al.Multifunctional 3D-printed patches for long-term drug release therapies after myocardial infarction［J］.Adv Funct Mater，2020，30：2003440-1-2003440-10.

［55］Hyun H，Park M H，Jo G，et al.Photo-cured glycol chitosan hydrogel for ovarian cancer drug delivery.Mar Drugs，2019，17（1）：41-42.

［56］Lim S H，Kathuria H，Amir M H B，et al.High resolution photopolymer for 3D printing of personalised microneedle for transdermal delivery of anti-wrinkle small peptide［J］.J Control Release，2021，329：907-918.

［57］Wu M，Zhang Y，Huang H，et al.Assisted 3D printing of microneedle patches for minimally invasive glucose control in diabetes［J］.Mat Sci Eng，2020，117：111299-1-111299-10.

［58］Liu J，Sun L，Xu W，et al.Current advances and future perspectives of 3D printing natural-derived biopolymers［J］.Carbohyd Polym，2019，207：297-316.

（實習編輯：羅 媛）

Application Progress of 3D Printing of Natural Polymer Materials in Medical Field

LIU Lu，YE Gengsheng，ZENG Rui

（School of Pharmacy，Southwest Minzu University，Chengdu 610041，China）

Abstract：

Recently，researchers in the medical field have increasingly turned to 3D printing technology due to its unique advantages of personalization and high molding accuracy.Natural polymer materials derived from plants and animals are widely used for 3D printing because of their good biocompatibility，high environmental sensitivity，biodegradability，immunoreactivity，and non-pollution to the environment.However，a major obstacle limiting the widespread application of 3D printing in product manufacturing is caused by the lack of materials with personalized customization and good mechanical properties.There are few relevant summary reviews available on the development of polymer materials for 3D printing technology and their promising applications in the medical field.Thus，this review introduces the recent classifications of natural polymer materials （bio-inks） for 3D printing，highlighting the characteristics of the 3D printing technology used，its bioactivity and application prospects in the medical field as well as the shortcomings of the existing studies.This review provides new ideas for the research and application of natural polymer materials as 3D printing bio-inks.

Key words：

3D printing technology;natural polymer materials;composite materials;biomedical applications

收稿日期：2023-04-20

基金項目：四川省自然科學基金項目（2022NSFSC0386）；全國大學生創新創業訓練計劃項目（S202210656133）

作者簡介：劉 璐（2002—），女，從事民族藥制劑炮制研究.E-mail：2719058115@qq.com

通信作者：曾 銳（1976—），男，博士，教授，從事民族藥制劑炮制研究.E-mail：rzeng@swun.edu.cn