3Ｄ打印生物醫(yī)用材料研究進展

作者：郭玉雄,、崔可建等

3D打印技術(shù)亦稱增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing,AM）,，或快速成型制造技術(shù)，自Hull 在1984年首次發(fā)明該技術(shù)快速制造復(fù)雜零件后受到全世界科學(xué)家的關(guān)注,。近幾十年來,，各種基于不同材料性能和要求的３Ｄ打印制備技術(shù)和打印材料發(fā)展迅速。3D打印技術(shù)由于具有打印精度高,、可打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及快速成型等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在多個領(lǐng)域,，如航空航天、組織工程,、汽車制造,、模具制造等。

雖然隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展以及各種新材料相繼出現(xiàn),，但目前的打印材料和技術(shù)很大程度上難以滿足某些特定領(lǐng)域的苛刻要求,。例如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，由于可用的生物打印材料種類受限,，為了使其具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和生物化學(xué)功能性，研究人員開展了對打印骨架和器官的表面進行功能化修飾的研究,。與傳統(tǒng)表面修飾方法相結(jié)合,，目前已報道了適合生物醫(yī)用領(lǐng)域的細胞支架、組織器官等,。本文首先對3D打印技術(shù)的類型及材料進行簡述,，然后重點總結(jié)了３Ｄ打印生物骨架及器官表面功能化修飾生物醫(yī)用材料的研究進展，主要涉及到表面接枝,、等離子體表面處理,、納米粒子以及納米涂層修飾方法等，最后對未來3D打印生物醫(yī)用材料的結(jié)構(gòu)表面功能化發(fā)展方向進行了展望,。

1 3D打印技術(shù)概述
3D打印技術(shù)是指基于電腦控制和計算機輔助設(shè)計（CAD）或計算機斷層掃描技術(shù)（CT）模型,，運用粉末狀金屬、塑料或光敏樹脂等材料,，通過逐層疊加的制造方式來構(gòu)造物體,。自20世紀80年代以來，發(fā)展及應(yīng)用較為廣泛的有光固化成型（SLA）,、選擇性激光燒結(jié)（SLS）,、熔融沉積成型（FDM）以及3D噴墨打印（3DP）技術(shù)等,�,；�于不同的打印技術(shù)，材料的種類也有所不同，常用的3D打印材料有金屬粉末,、聚合物,、復(fù)合材料、光敏樹脂以及陶瓷材料,。

熔融沉積技術(shù)（FDM）通過加熱絲材,，擠出熔融的熱塑性材料進行層層打印，其原理見圖１Ａ所示,。對于FDM打印技術(shù),，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，打印過程中的高溫可造成骨架表面失去生物相容性,，使得骨表面對細胞的粘附力不夠大，并對細胞產(chǎn)生抗性等問題,。目前,，使用FDM技術(shù)打印生物材料的研究主要集中在改善骨架表面的性能以增強生物相容性等方面。

立體光刻（SLA）技術(shù)是最早開發(fā)和應(yīng)用的一種成型技術(shù),，其優(yōu)點在于尺寸精確,、強度高、成型速度快等特點,，其工作機理如圖1B所示,。近年來，SLA成型技術(shù)也被用來打印凝膠骨架,、生物細胞支架以及組織器官等,。

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)同樣也可以應(yīng)用于制備生物骨架，其制備原理如圖1所示,。SLS技術(shù)的優(yōu)點主要在于成型速度快,、無需支撐材料，但存在成型表面粗糙度較高,、精度不高等缺點,，增加了后處理工藝。在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域,，SLS技術(shù)打印制備的生物骨架具有生物活性差,、對細胞具有凋亡性及細胞存活率很低等問題，這也是目前SLS技術(shù)亟需解決的一大難題,。

噴墨三維打�,。�3DP）技術(shù)是二維的噴墨印刷技術(shù)的進一步發(fā)展，是通過熱和壓電制動器的擠壓作用產(chǎn)生尺寸可控的墨水液滴,，然后進行噴涂光固化成型的3D打印技術(shù),，其原理見圖1D所示。該技術(shù)具有成本低且成型速度快的特點，在生物醫(yī)用材料方面主要以生物凝膠打印為主,。

從目前的研究和應(yīng)用來看,，以上所述幾種3D打印技術(shù)各有優(yōu)劣。此外,，針對特殊的應(yīng)用還發(fā)展了連續(xù)液體表面制造技術(shù)（CLIP）,、數(shù)字處理打印技術(shù)（DLP），電子束熔絲沉積成型技術(shù)（DMD）以及激光選區(qū)融化技術(shù)（SLM）等,。在實際的應(yīng)用中需要結(jié)合材料的特性和制品的要求而選擇適合的成型技術(shù),，表1總結(jié)了常用幾種打印技術(shù)的優(yōu)缺點。

2 3D打印結(jié)構(gòu)的表面功能化
3D打印制品結(jié)構(gòu)表面的生物相容性和功能性不足,，阻礙了3D打印技術(shù)和打印材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,。Park等結(jié)合傳統(tǒng)表面修飾技術(shù)，利用聚環(huán)氧乙烷－聚環(huán)氧丙烷（PEO－PEO）嵌段共聚物對打印支架表面進行修飾,，增加了細胞的粘附性和增殖,，促進了骨細胞和組織的再生。此方法的開拓使得3D打印結(jié)構(gòu)表面功能化在生物領(lǐng)域引起極大的關(guān)注,。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的表面修飾技術(shù)相結(jié)合,，對打印骨架和進行表面功能化修飾，極大增加和拓寬了3D打印技術(shù)的應(yīng)用,，尤其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域,。傳統(tǒng)的表面修飾方法和技術(shù)見圖２所示。

圖2 傳統(tǒng)物理化學(xué)表面修飾技術(shù)與方法

2.1 表面接枝修飾
表面接枝是指通過將聚合物鏈,、金屬以及納米粒子接枝到構(gòu)件表面以改變其特性的方法,。該法可賦予生物材料表面新的功能，如親水性,、粘合性,、生物相容性和抗霧性能等。將3D打印骨架器官進行表面接枝改性,，可使其具有特殊親水,、親油以及生物功能性。GUO等通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合接枝法（ATRP）在3D打印結(jié)構(gòu)器件表面接枝了具有抗菌性和生物相容性的聚苯硫尿酸刷（見圖3A）,，運用一個相比傳統(tǒng)表面修飾更為簡便的方法對打印器件表面進行生物功能化改性,，使其細胞粘附性明顯增加，且抗菌性能得到改善,。Wang等利用ATRP法在打印復(fù)雜器件表面引入具有疏水特性的聚全氟丙烯酸酯（PFMA）刷（見圖3B）,，實現(xiàn)了竹籃打水的功能性，有望在水處理,、電子,、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用,；同時作者在打印結(jié)構(gòu)表面引入了接枝Cu、Ni涂層（見圖3C）,，且涂層致密,，厚度均一，并且首次提出3D打印結(jié)構(gòu)表面“i3DP”的表面修飾概念,。

此方法利用3D打印技術(shù)的層層堆疊原理將引發(fā)劑引入到結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部,，使已功能化的表面再被破壞后可以進行原位修復(fù)的，這也是傳統(tǒng)修飾技術(shù)沒有的,，但是引發(fā)劑會造成的體內(nèi)毒性問題,，這一缺陷還需解決。在此基礎(chǔ)上,，Yan等制備了由油／水分離網(wǎng)帽和底部容器組成的撇油器,，其中具有優(yōu)異疏水－親油性的3D打印網(wǎng)帽利用過濾作用實現(xiàn)了浮油快速分離并貯存于底部容器中。Cai等以多巴胺為引發(fā)劑,，在3D打印骨架表面接枝膠原蛋白,，修飾后的骨架表面具有優(yōu)異的親水性和細胞粘附性，接觸角達到50.7°,，同時接枝膠原蛋白的打印骨架具有優(yōu)異的軟骨分化和維持軟骨細胞健康生長的性能。Lee等用多巴胺化學(xué)改性打印骨架的表面潤濕性以及接枝重組人骨形成蛋白,，接枝后的骨架具有優(yōu)異的細胞活性,、細胞增殖以及骨再生活性。

因此,，結(jié)合傳統(tǒng)的表面修飾方法對打印復(fù)雜器件的修飾,，可以賦予其新的功能性�,！癷3DP”方法在一定程度上改善了傳統(tǒng)表面接枝聚合物方法的一些問題,，如在其表面會出現(xiàn)可逆的物理吸附過程、接枝體的不可持久性以及接枝納米粒子對表面化學(xué)性的影響等,。同時,，其它表面接枝方法修飾骨架及器官都有助于提高和改善材料的表面生物化學(xué)性能，有助于細胞的粘附,、抗菌及細胞繁殖再生等性能,。

2.2 等離子體處理
等離子體是由部分電離的導(dǎo)電氣體組成，主要包括電子,、正負離子,、基態(tài)和游離態(tài)原子或分子等活性粒子，使材料表面分子鍵斷裂發(fā)生刻蝕,、交聯(lián),、化學(xué)改性及聚合反應(yīng)等，引發(fā)氣固相間的界面反應(yīng)，選擇性地引入多種活性基團,，如羰基,、羧基、羥基,、氨基以及亞胺基等,，改變表面的潤濕性、表面電位以及表面微結(jié)構(gòu),，使其具有親水,、親油、化學(xué)活性以及生物活性等功能,。Bergemann等將β－磷酸三鈣（TCP）固定在利用3D打印的聚乳酸（PLA）骨架內(nèi),，通過等離子氨化和等離子體聚合技術(shù)在骨架表面引入了丙烯胺的氨基官能團（見圖４中Ａ和Ｂ）。

結(jié)果顯示,，等離子體處理方法增強了表面生物活性,，修飾后的MG-63成骨細胞在TCP／PLA凝膠骨架表面具有連續(xù)的增殖。3D打印生物支架的細胞粘附和增值一直是生物組織工程的重要挑戰(zhàn),，Domingos 等通過擠出打印制備出微觀結(jié)構(gòu)可控的聚己內(nèi)酯（PCL）生物支架,，同時可控的微觀結(jié)構(gòu)增強了等離子沉積物的滲透；研究結(jié)果顯示,，低壓氮基涂層在不影響支架機械性能的情況下能夠有效地增加細胞粘附和增殖,。利用Ｘ射線光電子能譜對支架的不同部分進行分析表明，整個多孔結(jié)構(gòu)中含氮基團分布均勻,。

體外生物實驗證實等離子體沉積物有效地進行 Saos-2 成骨細胞的活性,，從而致使 Saos-2 成骨細胞在PCL支架上均一定植（見圖４中Ｃ、Ｄ及Ｅ）,。Declercp 等將乙烯∶氮氣為1:3的等離子體修飾打印的PCL骨架表面,，SEM、XPS以及接觸角測試等分析結(jié)果證明了修飾后的骨架表面具有規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)渠道,、孔隙以及親水性,，并且通過定量和定性分析了Saos-2 細胞在修飾后表面的粘附和分化，MTT及體外培養(yǎng)試驗結(jié)果顯示等離子體修飾的 PCL 骨架促進了 Saos-2 細胞的均勻粘附和分化,。Roh等研究了氧等離子體處理對打印的 PLA和PLGA／ｎ－HAp／β－TCP支架表面性能的影響,，發(fā)現(xiàn)處理后的表面親水性和粗糙度增加，表面生物活性也大大增強（見圖５Ａ,、Ｂ）,。

Xue等利用等離子體增強原子層沉積技術(shù)以及水熱處理3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面，制備出了均勻和有序的功能納米陣列（見圖5C,、D）,，此過程沒有有毒添加劑或有毒物殘留,，從而滿足了高純度產(chǎn)品制造的要求。另外,，作者實現(xiàn)了精確打印人工耳塞并進行了動物實驗和人體試驗,，實驗結(jié)果顯示，這種耳塞具有優(yōu)異的耐磨性,、隔音效果以及抑制病原體的生長,，也進一步表明了精確3D打印構(gòu)架結(jié)合表面功能化修飾在醫(yī)療設(shè)備中具有一定的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Α?br />

等離子體表面修飾3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不僅不改變材料本身的化學(xué)特性,，而且在改性修飾過程中能夠涉及到結(jié)構(gòu)體的全部表面,，適用于改善各種3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)體的生物活性以及殺菌效果。然而,，其缺陷在于改性過程中對表面的處理深度僅限于幾百埃,，對于磨損性比較大的生物支架，如打印人體關(guān)節(jié)等,，其修飾后的持久耐用性是一大挑戰(zhàn),。


2.3 納米涂層
表面改性涂層是一種有效增加3D打印器件功能性以及改善醫(yī)療植入物生物相容性和生物功能性的方法。目前已經(jīng)開發(fā)出了多種納米涂層制備方法可用于對打印器件和結(jié)構(gòu)的表面改性,，Ｍａ等利用具有生物功能性的氧化石墨烯（GO）涂層修飾β－磷酸三鈣打印的支架表面制備出了GO-TCP復(fù)合支架（見圖6A,，B），修飾后的骨架在808 nm具有優(yōu)異的光熱效應(yīng),，光熱溫度范圍根據(jù)GO的含量,、修飾時間以及近紅外能量密度可以調(diào)控到40℃～60℃之間，并且光熱效應(yīng)使得骨癌細胞達到90%死亡率,。同時通過移植骨細胞的基因表達促進了骨干細胞的分化能力。Jo等利用鹽酸多巴胺（pDA）溶液修飾PCL打印支架表面,，并在支架表面錨固羥基磷灰石（HA）,，發(fā)現(xiàn)經(jīng)此涂層修飾的支架表面性質(zhì)由疏水變?yōu)橛H水，接觸角幾乎為０°（如圖6C所示）,，并且細胞內(nèi)支架的粘附性也得到改善,。Zhang 等將3D打印骨架和旋涂表面修飾結(jié)合，對骨架表面進行功能化修飾,，結(jié)果顯示MBG－β－TCP骨架具有了更高的成骨和骨再生基因表達,，并改善了磷灰石的鈣化及骨形成效率。Yang 等利用共價鍵作用在肝素鈉表面制備了多巴胺／己二胺涂層（HD）（PDAM／HD）,，通過仿生3D打印制造了人造血管,，肝素鈉的接枝密度達到900 ng／cm2，錨固肝素鈉后的血管將血栓形成時間延長到15s,、抑制血小板的粘附以及阻止纖維蛋白原被吸收的變性,；并且在PDAM／HD涂層表面修飾后其血液相容性明顯改善,，同時也增強了人劑靜脈內(nèi)皮細胞的粘附、增殖,、遷移以及NO的釋放（見圖6D）,。此外，Kao等利用聚多巴胺涂層修飾3D打印PLA支架來調(diào)控細胞的粘附和釋放,。為了進一步拓寬其它領(lǐng)域的應(yīng)用,，Wang等利用多孔銅－苯三甲酸涂層修飾打印的ABS樹脂結(jié)構(gòu)框架表面，經(jīng)多孔的涂層改性后的構(gòu)件具有優(yōu)異的吸附作用和去污效果,。

就表面涂層修飾3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)體而言,，其優(yōu)點在修飾后存在表面空洞以及修飾過程中處在低溫環(huán)境，對于生物原材料的活性影響較�,�,；并對于不同的打印原材料可以選擇不同的涂層修飾方法。然而,，其缺點為用于修飾的打印原材料種類受限以及表面生物功能化涂層的制備技術(shù)不能有效地大范圍應(yīng)用,，同時，通過表面涂層修飾實現(xiàn)打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)體對于生物表面的活性影響以及細胞的再生擴散程度也是有限的,。

2.4 其它生物材料進展
對于其它方面的生物材料方面的研究主要集中在本體的生物活性,，如生物水凝膠、聚合物以及生物陶瓷等,，并且同時通過表面修飾的方法研究出具有生物特性的高強度材料,。Male Ksaeedi等通過二氧化鈦涂層和羥基磷灰石（HA）改性了打印的鈦合金支架表面，孔隙率達到80%,，并具有雙峰孔徑分布,；利用水熱法在其表面修飾了二氧化鈦涂層，從而提高了鈦合金支架的生物相容性,，解決了鈦合金支架的生物惰性問題,。Yi 等利用化學(xué)蒸氣滲透熱處理方法處理打印的C/C復(fù)合構(gòu)件，經(jīng)處理后的構(gòu)件密度達到了1.5g/cm3且彎曲強度為100MPa,，同時C/C復(fù)雜零件亦具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和機械性能,。

Jung nickel等通過馬來酰亞胺基團的雙光子[2+2]環(huán)加成反應(yīng)構(gòu)筑亞微米級的化學(xué)表面修飾，最佳制備條件能夠自下而上的構(gòu)筑低于350 nm的水凝膠細胞外基質(zhì)微結(jié)構(gòu),。鑒于此方法不含有毒性光引發(fā)劑,，有望在單細胞原位包封、分化細胞信號分子的精密摻入以及極性水凝膠結(jié)構(gòu)修飾等領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展,。Holmes等結(jié)合表面共軛效應(yīng),，將乙酰化膠原蛋白錨固在打印支架表面上,，增加了其生物相容性,。Xiu等利用混合微弧氧化和熱液（MAO-HT）方法處理圓孔的Ti6Al4V（Ti64）打印支架,，經(jīng)表面修飾后該支架具有了優(yōu)異的骨形成和體內(nèi)骨整合能力。

上述所涉及的是近幾年研究比較成熟的3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面修飾功能化的方法,，各種方法都有自己的優(yōu)缺點,。例如，表面接枝方法主要針對聚合物的特性,，通過化學(xué)鍵的鍵合而進行修飾,，使其具有穩(wěn)定的功能性和生物特性。但是,，傳統(tǒng)表面技術(shù)應(yīng)用在3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)體上很少,，主要是由于適合3D打印的原材料種類較為稀少，很多材料都受限于某種化學(xué)特性或物理特性,。然而,，正是由于打印材料的稀少不能完全地滿足現(xiàn)有的功能性需求，傳統(tǒng)的表面功能化修飾技術(shù)或新的適合修飾3D復(fù)雜結(jié)構(gòu)的表面修飾方法顯得尤為重要,，二者的結(jié)合能夠進一步促進3D打印技術(shù)在制造生物功能化骨架和器官領(lǐng)域的大力發(fā)展,。

3 結(jié)論與展望
3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)表面修飾技術(shù)結(jié)合，可彌補打印過程中的缺陷,，增加3D打印器件和制品的功能,，研究和應(yīng)用新的表面修飾技術(shù)，如表面熱處理,、蒸汽處理以及噴砂刻蝕等,，將進一步擴大3D打印技術(shù)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用。在未來研究中,，如何尋找更好,、更簡單的表面修飾技術(shù)，實現(xiàn)3D打印復(fù)雜構(gòu)件的表面功能化,，將是一重大挑戰(zhàn),；同時將3D技術(shù)與傳統(tǒng)表面技術(shù)很好地進行融合，實現(xiàn)打印復(fù)雜構(gòu)件的生物功能化,，不僅可以體現(xiàn)其在生物領(lǐng)域上的功能性，還可拓寬其功能在化學(xué)合成,、電子器件以及航天航空等領(lǐng)域的應(yīng)用,。

此外，在修飾過程中,，功能性,、持久性和耐用性也需得到解決，從而使3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的表面功能化在各個領(lǐng)域有更大的突破口和應(yīng)用,，解決材料本身不能滿足其功能需求的問題,，例如原位修飾具有優(yōu)異力學(xué)性能的合金,、聚合物、功能納米粒子涂層以及復(fù)合材料等,。另一方面,，將傳統(tǒng)表面修飾技術(shù)與3D打印技術(shù)的結(jié)合，對于表面性能在時間和修飾深度上的調(diào)控,，也將是未來3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面功能化修飾的主要研究方向和挑戰(zhàn),。

作者：郭玉雄、崔可建等

來源：《高分子通報》2017年8月