論文：3D打印復(fù)合PVA骨組織工程支架研究現(xiàn)狀

來源：口腔疾病防治

作者：劉小元,，張凱,，韓祥禎，左新慧,，李君,，何惠宇，新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院（附屬口腔醫(yī)院）口腔修復(fù)科

近年來,，3D打印復(fù)合多孔性骨支架已成為組織工程骨領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),。由于3D打印復(fù)合聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）支架有良好的生物相容性,，目前對(duì)其研究越來越多,，本文將從骨組織工程支架3D打印技術(shù)、PVA,、復(fù)合PVA支架在體內(nèi)外骨形成效果等方面進(jìn)行綜述,。

1.骨組織工程支架3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)可以快速打印精確性及機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙率及空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的個(gè)性化骨組織工程支架,，其通過材料的表面改性賦予支架與人體天然骨細(xì)胞外基質(zhì)成分相似的性能,，使其更加符合人體仿生學(xué)，為骨缺損修復(fù)提供新的方法,，它可以根據(jù)缺損情況打印出大小,、形狀及孔隙合適的個(gè)性化支架。目前,，骨組織工程領(lǐng)域中最常用的3D打印技術(shù)有光固化成型（stereo lithographyap-pearance,，SLA），選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering,，SLS）,，熔融層積成型（fused deposition modelling，F(xiàn)DM）,，噴墨印刷（ink jet printing）,、生物墨水（bioink）。SLA是由3D系統(tǒng)公司于1986年開發(fā),。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展,，它在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。SLA系統(tǒng)包括一個(gè)光敏液體樹脂罐,、可移動(dòng)的搭建平臺(tái),、紫外線（UV）激光照射樹脂及動(dòng)態(tài)反射鏡系統(tǒng)。SLA采用紫外激光逐層制作感光液體樹脂材料制成三維支架，一旦樹脂材料一層完全固化在一個(gè)平臺(tái)上,，平臺(tái)就會(huì)垂直下降,，隨后大量液體材料覆蓋前一層，形成下一層,。重復(fù)上述步驟,，直至形成一個(gè)完整的三維部件。最后,，將未固化的材料洗掉,，骨支架在紫外光下進(jìn)行固化。

骨組織工程中用SLA制作的支架材料包含聚合物,、生物陶瓷及其復(fù)合材料等,，SLA可利用上述材料制作具備生物降解性能的復(fù)合支架，如交聯(lián)設(shè)計(jì)的多孔性結(jié)構(gòu),，能夠精確控制支架的孔隙,、尺寸及結(jié)構(gòu)，并具有較佳的力學(xué)性能,。SLS技術(shù)于1986年在奧斯汀得克薩斯大學(xué)開發(fā),，1992年由DTM公司商業(yè)化。它利用一個(gè)CO2激光束將選定區(qū)域的材料粉末熔（或燒結(jié)）到粉末床表面形成材料層,，第一層固化后,，粉末層厚度降低一層，下一層的材料放置在床的頂部形成一個(gè)滾筒,。重復(fù)此過程,，直到零件完成為止，固體粉末作為結(jié)構(gòu)載體,，樣品的殘余粉末被去除。

FDM技術(shù)是1992年由Stratasys公司開發(fā)和商業(yè)化,，F(xiàn)DM是將熔融和擠壓材料（通常是熱塑性聚合物）通過一個(gè)帶有小孔的可移動(dòng)噴嘴在基板平臺(tái)上制造出了三維多孔性支架,，被廣泛用于組織工程領(lǐng)域支架的制備。噴墨印刷又稱三維印刷（3D printing,，3DP）是1989年麻省理工學(xué)院開發(fā)的噴墨打印技術(shù)之一,。該技術(shù)通過在粉末床上的一層選擇性地噴涂液體粘合劑來創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜的三維固體物體，它將顆粒結(jié)合在一起形成一個(gè)固體層,。然后降低粉末床,，由滾筒將新的粉末層鋪在前一層的表面上。

重復(fù)此過程,，直到得到預(yù)先設(shè)計(jì)的對(duì)象,。隨著組織工程領(lǐng)域的研究發(fā)展，諸多科學(xué)家不斷嘗試將組織工程的三要素（種子細(xì)胞、生長(zhǎng)因子及支架）進(jìn)行不斷的融合,，期望提高人造組織更好修復(fù)人體軟硬組織的缺損,，從而創(chuàng)造性的發(fā)明了3D打印“生物墨水”技術(shù)。

生物墨水必須是生物相容性佳的凝膠,，才能更好將細(xì)胞混合在凝膠中,，從而更好打印出理想的支架，He等通過研究發(fā)現(xiàn)：①生物墨水必須具備黏度的可調(diào)性（比如通過溫度,、剪切變細(xì)等特性）,，只有可調(diào)才能設(shè)計(jì)適合的打印方式及打印參數(shù)區(qū)間；②生物墨水在打印前要是液態(tài)的,，以避免堵塞噴嘴,，打印后要能迅速變?yōu)楣虘B(tài)以保持形狀；③擁有或找到針對(duì)該材料的打印窗口或工藝參數(shù)區(qū)間也非常重要,。由于PVA凝膠的諸多優(yōu)點(diǎn),，在利用3D打印時(shí)可呈現(xiàn)液態(tài)，可能在未來有望成為3D打印的生物墨水,。

2.3D打印復(fù)合PVA支架及其體外應(yīng)用

利用3D打印技術(shù)制備出優(yōu)異的組織工程支架,，往往離不開滿足生物學(xué)性能的優(yōu)質(zhì)生物材料。PVA分子式為（C2H4O）n,，是由聚醋酸乙烯脂水解而成的一種具有生物降解性的水溶性高分子,，其分子鏈上含有大量羥基，因此具有良好的水溶性,、成膜性,、粘結(jié)性、熱穩(wěn)定性,。同時(shí),，因其具備較好的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性,、易于成型,、無毒、無不良反應(yīng),，以及與人體組織良好的相容性,，所以其在生物醫(yī)學(xué)各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。

He等利用FDM技術(shù)構(gòu)建三維煅燒羊椎骨-雙相陶瓷復(fù)合材料/PVA凝膠支架,，在體外培養(yǎng)兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞,，然后接種到通過3D打印獲得的滅菌骨支架上，通過毒性檢測(cè),、抗壓力試驗(yàn),、三維孔隙分析,，表明復(fù)合PVA支架具備上述一系列的優(yōu)點(diǎn)。所以PVA因其生物相容性,、可降解性等因素,，越來越多的研究將其用作骨組織替代材料。

因PVA具備良好的物理性能及化學(xué)性能,。所以PVA復(fù)合膠原,、甲殼素、馬鹿角粉及絲素蛋白（silk fibroin,，SF）等天然高分子聚合物之后,，可制作生物相容性良好的骨支架，因天然聚合物具有細(xì)胞識(shí)別信號(hào)（如某些氨基酸序列）,，利于細(xì)胞黏附,、增殖和分化。PVA常復(fù)合人工合成多聚體材料,，以聚乳酸,、聚羥基乙酸及其聚乳酸-羥基乙酸共聚物為代表，聚乳酸和聚羥基乙酸已經(jīng)通過美國FDA的批準(zhǔn),，允許作為植入物,。

趙小琦等利用FDM技術(shù)以15%PVA凝膠，分別混合鹿角粉,、納米級(jí)羥基磷灰石（nano-hydroxyl apatite,，nHA）打印出鹿角粉/PVA支架與n-HA/PVA支架，對(duì)其性能進(jìn)行了分析,，得出鹿角粉/PVA支架具有良好的機(jī)械力學(xué)性能及細(xì)胞相容性,，可作為異種骨組織工程支架材料研究的新方向。丁劉闖等利用FDM技術(shù)在體外以SF/PVA凝膠體積比為1∶4的比例進(jìn)行混合配成混合液及將nHA粉與SF/PVA凝膠混合液,、15%PVA凝膠打印的SF/PVA/nHA支架與PVA/nHA支架的研究,，得出PVA/nHA支架與SF/PVA/nHA支架具有良好的理化性能和細(xì)胞相容性，3D打印SF/PVA/nHA支架有更加優(yōu)良的孔隙率以及規(guī)則連續(xù)的支架結(jié)構(gòu),。

周琦琪等使用15%PVA溶液,，分別將nHA、羊椎骨粉與PVA溶液混勻,，利用FDM技術(shù)3D打印成型，對(duì)其分析得出,，3D打印羊椎骨粉/PVA支架具有良好的物理,、化學(xué)性能及骨誘導(dǎo)性。Ngadiman等利用FDM技術(shù)和靜電紡絲技術(shù)制備了PVA/磁赤鐵礦組織工程支架,，并進(jìn)行了支架降解和細(xì)胞穿透試驗(yàn),，表明復(fù)合PVA支架能夠降解并有利于人成纖維細(xì)胞的黏附生長(zhǎng),。

復(fù)合PVA支架除在骨組織工程領(lǐng)域的研究之外，在其他諸多組織工程支架領(lǐng)域也均有涉及,，在外周神經(jīng)組織再生領(lǐng)域,，Weller等將PVA水凝膠植入物用于拇指腕掌關(guān)節(jié)及神經(jīng)導(dǎo)管用于數(shù)字神經(jīng)修復(fù)。在血管再生領(lǐng)域,，Pazos等優(yōu)化PVA水凝膠支架的拉伸性能,，可匹配豬主動(dòng)脈的根部。在組織缺損修復(fù)等領(lǐng)域,，Costa-junior等制備PVA/殼聚糖交聯(lián)水凝膠,，發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞在支架上的粘附性好，無毒,，可作為組織缺損愈合的敷料,。

3.3D打印復(fù)合PVA支架回植動(dòng)物體內(nèi)的效果

現(xiàn)在越來越多的研究經(jīng)外科手術(shù)構(gòu)建動(dòng)物骨缺損區(qū)模型，采取3D打印方法制備個(gè)性化,、精準(zhǔn)化的骨組織工程支架,，將體外構(gòu)建的組織工程骨移植于骨缺損區(qū)，連續(xù)觀察一段時(shí)間,，處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,，取出動(dòng)物骨缺損區(qū)的新生組織，對(duì)其進(jìn)行骨形成的分析,，檢測(cè)一系列有關(guān)血管生成及骨形成指標(biāo),。

Song等利用3DP打印技術(shù)打印納米雙相磷酸鈣（nano-biphasic calcium phosphate，BCP）/PVA/富含血小板的纖維蛋白（platelet-rich fibrin,，PRF）支架,，研究表明支架在體外對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的粘附、增殖和成骨分化的促進(jìn)作用明顯優(yōu)于3D打印BCP/PVA支架,。在兔體內(nèi),，3D打印BCP/PVA/PRF支架在臨界大小的節(jié)段性骨缺損模型中相比BCP/PVA支架明顯有助于骨形成。

Somasundaram等利用SLS打印技術(shù)打印多孔性氧化石墨烯復(fù)合PVA支架回植動(dòng)物體內(nèi),，發(fā)現(xiàn)三維打印氧化石墨烯增強(qiáng)了支架的強(qiáng)度,。同時(shí)，2.5%氧化石墨烯促進(jìn)了成骨細(xì)胞增殖和分化,。He等將3D打印羊椎骨粉/PVA支架植入兔子體內(nèi),，表現(xiàn)出其良好的生物相容性。

張旭婧通過3D同軸（FDM）打印SF/PVA復(fù)合水凝膠,，并與HA混合制備SF/PVA/HA復(fù)合支架回植動(dòng)物體,，經(jīng)過支架的降解試驗(yàn)及細(xì)胞毒性試驗(yàn)分析表明，證明了3D打印SF/PVA及SF/PVA/HA復(fù)合支架的降解速率及成骨效能,，其為骨組織工程支架為基礎(chǔ)的植入式載藥緩釋系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù),。

3D打印PVA復(fù)合其他生物相容性高強(qiáng)度材料,，可以增強(qiáng)機(jī)械應(yīng)力，將有望成為組織工程骨修復(fù)臨床患者骨缺損的新型骨移植材料,。目前,，諸多復(fù)合PVA支架的研究還處于體外分析的早期階段，大量的體內(nèi)研究還有待進(jìn)行,。前瞻性的體外和體內(nèi)研究更有助于闡明復(fù)合PVA支架的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值及其誘導(dǎo)骨形成的作用機(jī)制,。


來源：劉小元,張凱,韓祥禎,左新慧,李君,何惠宇.3D打印復(fù)合PVA骨組織工程支架研究現(xiàn)狀[J].口腔疾病防治,2020,28(01):52-55.