【解析】基于生物相容性材料的3D打印骨骼修復(fù)技術(shù)的研究與應(yīng)用

骨骼修復(fù)手術(shù)致力于修復(fù)因外傷,、腫瘤和先天畸形等原因?qū)е碌墓墙M織缺損。這類手術(shù)在以前是一種難度很高的外科手術(shù)，其中骨骼修復(fù)材料起到?jīng)Q定性作用。隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，骨骼修復(fù)材料已經(jīng)逐漸從自體骨和同種異體骨向人工骨轉(zhuǎn)變,，但是傳統(tǒng)人工骨不僅不易個(gè)性化加工，還有可能造成排異反應(yīng)問(wèn)題,。

近些年3D打印技術(shù)大量應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué),，新技術(shù)給骨骼修復(fù)帶來(lái)了基于生物相容性的人工骨材料。有別于傳統(tǒng)制造方法,，3D打印制造的產(chǎn)品不受模具脫模的影響,，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以具有多孔隙、不規(guī)則曲面,、封閉包裹體等特點(diǎn),，能夠最大限度地還原病患骨骼原始形態(tài)。另外,，拼接生物相容性材料,，可以減 輕因材料排異反應(yīng)對(duì)人體造成的傷害。3D打印技術(shù)能夠有效降低骨骼修復(fù)的治療成本,，較大提升治療成功率,，對(duì)于骨骼修復(fù)手術(shù)以及衍生的骨組織培養(yǎng)技術(shù)有著引領(lǐng)技術(shù)革命的深遠(yuǎn)意義。
  
1生物相容性材料
國(guó)際上,，3D打印技術(shù)用于個(gè)性化組織工程支架和骨骼假體植入物的制造已經(jīng)有不少研究和應(yīng)用,，其中材料主要分為金屬和非金屬材料，而本文所述的生物相容性材料由于會(huì)與病患的機(jī)體產(chǎn)生恰當(dāng)反應(yīng),，而二者會(huì)在相互影響中直到達(dá)到平衡,，或者生物相容性材料發(fā)生降解并逐漸消失。目前這類材料絕大多數(shù)是非金屬材料,，包括醫(yī)用高分子材料和生物陶瓷類材料,。

1.1醫(yī)用高分子材料
高分子材料是目前3D打印中最主要的材料之 一，其中具有生物相容性的醫(yī)用高分子材料按照可降解性分為可降解高分子材料和非可降解高分子材料,，這兩種雖然都具有生物相容性,，但是其用途有較大差別,。目前能夠用于3D打印技術(shù)的可降解高分子材料包括聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）,、聚己內(nèi)酯（PCL）和乙交酯—丙交酯共聚物（PLGA）等,。在很多桌面級(jí)3D打印機(jī)中應(yīng)用最廣泛的是PLA，其具有優(yōu)異的生物降解性,，最終降解產(chǎn)物只有水和CO2,， 它也是作為最早研究的可降解醫(yī)療材料之一 。但是PLA的缺點(diǎn)在于強(qiáng)度較低,、吸水性強(qiáng)且耐熱性差。對(duì) 于骨骼修復(fù)而言,，通過(guò)3D打印制造的骨骼支架經(jīng)手術(shù)植入病患體內(nèi),，過(guò)快的降解速度使得沒(méi)有痊愈就開(kāi)始降解，使得PLA在骨骼修復(fù)手術(shù)中具有一定的缺憾,。

PCL是近期研究相對(duì)較多的可降解醫(yī)療材料之一,，其自身分子鏈結(jié)構(gòu)中的C—O和C—C鍵能夠自由旋轉(zhuǎn)，使其宏觀上具有良好的柔性和加工性,。但是因?yàn)镻CL缺少供生物功能分子或細(xì)胞識(shí)別的功能基團(tuán),，也導(dǎo)致其作為生物醫(yī)療材料不利于細(xì)胞附在其表面生長(zhǎng)。因此大量研究著眼于對(duì)PCL的改性,，取得了不少可供臨床試驗(yàn)的成果,。韓國(guó)研究出一種與磷酸三鈣（TCP）相結(jié)合的PCL改性材料，結(jié)合TCP能夠促進(jìn)骨再生且同樣可降解的特點(diǎn)以及PCL自身優(yōu)勢(shì),，成功作為3D打印的骨骼修復(fù)材料植入實(shí)驗(yàn)者體內(nèi),，取得了階段性成效。圖1為通過(guò)熔融噴射工藝的3D打印方式生產(chǎn)的PCL骨骼支架,。

Cai等利用電子噴射工藝打印了PCL的骨組織支架,，并對(duì)材料進(jìn)行了表面處理，使得材料獲得了良好的親水性,，便于軟骨細(xì)胞的附著,，加快軟骨再生。Lam等利用熔體噴射工藝同樣打印了以PCL為原料的骨與軟骨組織復(fù)合的支架結(jié)構(gòu),，并分別將骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞種植在復(fù)合支架的不同位置,，得到了兩種細(xì)胞分泌的細(xì)胞外基質(zhì)。這些研究均通過(guò)改性方式對(duì)PCL的缺點(diǎn)進(jìn)行了彌補(bǔ),，使得骨組織支架能夠有效培養(yǎng)出新的組織細(xì)胞,，并用于骨骼修復(fù)手術(shù)當(dāng)中，具 有實(shí)際的臨床應(yīng)用價(jià)值,。 生物可降解水凝膠是一種具有生物相容性且可3D打印的高分子材料,，水凝膠本身是種含水量高的水溶性高分子材料，其生物相容性和力學(xué)性能非常適合用于代替軟骨組織。

另外,，又由于這種材料具備基本的生物功能,，例如：輸送養(yǎng)分和排泄代謝物，因此生物可降解水凝膠還用于制作組織工程支架以及藥物 可控釋放的載體,。Tetsu等采用激光快速成型工藝使用PLA和聚乙二醇混合料,，打印了水凝膠支架，并用于做骨細(xì)胞培養(yǎng)支架,，該實(shí)驗(yàn)支架具有較高的力學(xué)性能和良好的孔隙連接性,，因此骨組織細(xì)胞在該材料上能夠快速生長(zhǎng)，其被用于骨骼修復(fù)手術(shù),。張仁坤等利用3D打印機(jī)制備膠原蛋白－硫酸肝素仿生脊髓支架,，驗(yàn)證了該材料具有優(yōu)秀的生物相容性，并能夠促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖與分化,，為治療脊髓損傷提供了細(xì)胞載體,。

生物相容性材料并不一定需要做到完全降解消失，其中醫(yī)用高分子材料中非降解材料的使用使得骨骼修復(fù)手術(shù)有了新的方向,。目前具有生物相容性的非生物降解高分子材料包括聚芳醚酮,、聚乙烯醇、超高摩爾質(zhì)量聚乙烯,，以及它們與納米羥基磷灰石的復(fù)合材料,。目前非可降解醫(yī)用塑料在骨骼修復(fù)中的研究較 少，劉瑞等采用碳纖維增強(qiáng)型聚芳醚酮植入下頜骨,，并研究了材料的生物相容性和生物活性,。最后發(fā)現(xiàn)與聚醚醚酮純樹(shù)脂相比，碳纖維增強(qiáng)型聚醚醚酮不僅有優(yōu)秀的力學(xué)性能,，而且植入后免疫反應(yīng)小,，具有良好的生物相容性及生物活性。雖然只是動(dòng)物實(shí)驗(yàn),，但是這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)足以驗(yàn)證非可降解高分子材料在骨骼修復(fù)手術(shù)中應(yīng)用的潛力,。

與單一組分或結(jié)構(gòu)的生物材料相比，復(fù)合生物材料的性能具有可調(diào)性,。由于單一生物材料用3D打印制成產(chǎn)品會(huì)存在一定的不足,，將兩種或者兩種以上的生物材料有機(jī)復(fù)合在一起，復(fù)合材料的各組分既保持性能的相對(duì)獨(dú)立性,，又互相取長(zhǎng)補(bǔ)短,，優(yōu)化配置，大大改善了單一材料應(yīng)用中存在的不足,；但是對(duì)于理化性質(zhì)差異較大的兩種材料,，如何利用打印的方法將它們很好地融合在一起,，發(fā)揮它們組合的最大優(yōu)勢(shì)也是目前研究的熱點(diǎn)之一。

1.2生物陶瓷材料
生物陶瓷材料與生物組織有著優(yōu)異的親和性,，并具有良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性,。其中一些具有高強(qiáng)度、低密度,、耐腐蝕的生物陶瓷常被用于醫(yī)學(xué)骨代替物或者輔助支架,。雖然生物陶瓷在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已經(jīng)可以追溯到18世紀(jì)初期，但是自身材料的硬且脆的特點(diǎn),，使得加工難度很大,，從而導(dǎo)致醫(yī)療成本高昂難以普及。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展成熟,，部分生物陶瓷可通過(guò)3D打印的方式進(jìn)行加工,，不僅成型周期和成本都有所下降，對(duì)于其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度更是有了巨大的提升,。以往生物陶瓷的應(yīng)用主要集中在牙齒、骨骼緊固螺栓等簡(jiǎn)單細(xì)小的零件上,，而3D打印技術(shù)帶來(lái)的變化使得生物陶瓷材料更為廣泛地應(yīng)用在下頜骨,、髖關(guān)節(jié)、股骨等復(fù)雜的大型骨骼代替物,。生物陶瓷材料主要用于整形外科,、牙科和脊柱外科等領(lǐng)域，是一種非常具有前景的骨骼修復(fù)材料,。

目前生物陶瓷材料主要有磷酸鈣,、雙相磷酸鈣和硅酸鈣/β－磷酸三鈣等。生物陶瓷除了用于制造骨骼代替物,，還可以通過(guò)3D打印制造骨骼組織支架,。其中，羥基磷灰石做的支架能夠促進(jìn)神經(jīng)鞘干細(xì)胞分化成骨細(xì)胞,，雙相磷酸鈣支架中β－磷酸三鈣則有促進(jìn)細(xì)胞骨性分化的作用,，硅酸鈣/β－磷酸三鈣支架中的硅元素的釋放有利于促進(jìn)骨樣細(xì)胞形成骨因子，進(jìn)而促使細(xì)胞的骨性分化,。從大量研究文獻(xiàn)中可知,，生物陶瓷材料普遍具有與松質(zhì)骨十分相近的抗壓強(qiáng)度和骨誘導(dǎo)性，不過(guò),，生物陶瓷材料由于采用3D打印,，因此需要在高溫環(huán)境下進(jìn)行，如果過(guò)程中對(duì)成型制品進(jìn)行活性涂層或生物藥物的涂覆,，會(huì)因?yàn)楦邷厥�去活��,。另一個(gè)缺陷在于一般生物陶瓷材料力學(xué)性較脆,，抗剪切性差，所以目前3D打印的生物陶瓷支架還停留在硬組織上的應(yīng)用 ,。

早期使用熔融噴射3D打印技術(shù)時(shí),，硅酸鈣/β－磷酸三鈣液化后沒(méi)有凝固的能力，并且其與水混合會(huì)出現(xiàn)影響噴射效果的小晶粒,，使得在熔融噴射3D打 印中難以實(shí)現(xiàn)該生物陶瓷材料的應(yīng)用,。袁景等采用一定濃度的檸檬酸與β－磷酸三鈣混合，發(fā)現(xiàn)在特定溫度下其β－磷酸三鈣可變成均勻的口香糖狀噴涂態(tài),，并能夠自行凝固,，這使得β－磷酸三鈣可作為熔融噴射3D打印的基材，為3D打印制備骨組織支架做出了開(kāi)創(chuàng)式的貢獻(xiàn),。隨后對(duì)于生物陶瓷在其他3D打印技術(shù)中的應(yīng)用也有不少研究,，黃志紅等分別利用光敏樹(shù)脂選擇性固化（SLA）、粉末材料選擇性燒結(jié)（SLS）,、絲狀材料選擇性熔覆（FDM）,、箔材疊層實(shí)體制作（LOM）等3D技術(shù)，將羥基磷灰石或磷酸三鈣用于制造人工骨,，對(duì)比各種3D打印技術(shù)對(duì)于該材料的成型工藝的差異性,，總結(jié)發(fā)現(xiàn)骨組織支架制造較為適合采用SLS，而對(duì)于低成本的替代人工骨制造則采用FDM比較合理,。

2.3D生物打印骨骼修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用
3D打印目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用很多,，極大地推動(dòng) 了部分手術(shù)，尤其是骨骼外科類手術(shù)的發(fā)展,。其中在 骨骼修復(fù)中的應(yīng)用主要集中在三種情況：
（1）直接打印等比例的人工骨骼代替缺損部位,；
（2）打印起校正、支撐或觀察等作用的手術(shù)輔助模型,；
（3）制備骨組織工程生物支架,。

這三種情況基本涵蓋了主要的骨骼修復(fù)手段，其得益于3D打印技術(shù)的普及和生物相容性材料的研究,，并且隨著新技術(shù)的發(fā)展,，新的應(yīng)用會(huì)逐漸增多，給骨骼修復(fù)臨床醫(yī)學(xué)帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響,。在骨骼修復(fù)中3D生物打印最直接的應(yīng)用是打印 等比例人工骨骼代替缺損部分,。張鈺等對(duì)人體內(nèi)踝骨骼進(jìn)行螺旋斷層掃描，把掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D建模,，并通過(guò)3D打印機(jī)對(duì)其進(jìn)行了個(gè)性化打印,，獲得了內(nèi)部是閉孔結(jié)構(gòu)的脛骨假體。美國(guó)OPM公司也以聚醚酮酮（PEKK）為打印材料,，將3D打印的假體替換了一名患者75%的頭骨,，這個(gè)高難度成功案例為頭骨修復(fù)提供了巨大的參考價(jià)值。

在針對(duì)骨腫瘤的治療過(guò)程中,，醫(yī)務(wù)人員根據(jù)患者CT值,，通過(guò)3D打印技術(shù)打印出腫瘤的形狀，便能夠更直觀地觀察該腫瘤的界限,，在術(shù)前進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃的制訂,，另外根據(jù)打印的模型對(duì)其模擬手術(shù)操作，這樣可以為準(zhǔn)確切除腫瘤和重建骨關(guān)節(jié)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù),，較大地減小手術(shù)風(fēng)險(xiǎn),，提高治療效果。同時(shí),，利用生物相容性材料進(jìn)行3D打印,，將打印的骨關(guān)節(jié)代替物植入患者體內(nèi)，準(zhǔn)確還原患者骨骼缺損部分,，減少后續(xù)的并發(fā)癥,，提高治療的成功率。另外,，近幾年通過(guò)3D打印并具有生物相容性的人工骨完全代替缺損骨骼還處在研究和初步應(yīng)用階段,，但是不少成功的案例已經(jīng)證實(shí)在生物相容性材料的支架上涂覆生物活性物質(zhì)或者直接由細(xì)胞打印的支架具有非常大的前景。

憑借3D打印技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),，將其應(yīng)用于骨骼 修復(fù)當(dāng)中既具有非常高的研究?jī)r(jià)值，更具有極大的市場(chǎng)潛力,。生物相容性材料雖然可以被用于臨床醫(yī)學(xué)的并不多,，但是就目前所采用的生物相容性材料，就已經(jīng)給骨骼修復(fù)手術(shù)帶來(lái)了較大地改善,，能夠解決骨骼代替物排異反應(yīng),，又能制備成骨組織支架成功培養(yǎng)骨細(xì)胞甚至干細(xì)胞。除了能夠讓人工骨材料化學(xué)性質(zhì)和生理機(jī)能均接近人體骨骼的同時(shí),，還兼具其優(yōu)異的力學(xué)性能和一般加工方式難以得到的特殊結(jié)構(gòu),，這都得益于結(jié)合了適當(dāng)?shù)?D打印成型工藝。因此重點(diǎn)研究結(jié)合3D打印技術(shù)與生物相容性材料的命題,，才能得到更有效更廣泛的骨骼修復(fù)臨床應(yīng)用,，造福人們的健康生活。

編輯：南極熊
延伸閱讀：
清華前沿高分子研究中心危巖：組織工程與3D打印的天然生物材料