3D打印技术在生物骨支架制备中的研究进展*

刘子博，周武艺，2

(1 华南农业大学材料与能源学院，生物质3D打印材料研究中心，广东 广州 510642；2 农业农村部华南热带智慧农业技术重点实验室，广东 广州 510642)

1 3D打印技术的概念及其种类

3D打印技术(3DP)，又称为增材制造，是一种快速成型技术。它是基于数字模型文件，利用可粘合的金属粉末或聚合物等材料，逐层打印叠加来建造物体。使用计算机软件进行三维结构设计，然后将其划分为二维切片数据。计算机控制3DP系统，将这些二维结构逐层打印、堆积成特定结构的三维结构。3DP技术种类繁多，包括光固化立体印刷、选择性激光烧结、熔融沉积成型、3D生物打印等。

随着科技的发展及临床医学需求的不断扩大，3D打印技术的应用领域也随之变得十分宽泛。无论是日常生活用品、工业机械设备还是生物医用材料，乃至是活体器官植入物等领域，都已经开始广泛的运用3D打印技术。在生物医学领域中，3D打印技术已成为制作器官模型、个性化组织工程支架材料及假体植入物、细胞或组织打印等方面的重要手段之一[1]。尽管目前一些替换材料已经可以批量生产，但它们的形状和结构都是固定的。通过3D打印技术，可以根据不同病人的CT、DEXA结果和损伤情况，进行个性化设计，从而实现假体和病人病变位置的完美契合。此外，还可以针对微观结构方面进行调节，例如细胞排列方式和材料结构，以更好地促进细胞及组织的生长和分化，达到理想的组织修复效果。因此，近年来，越来越多的生物医用材料开始采用3D打印技术。本文将侧重综述最新进展的3D打印技术在生物医学骨支架中的应用。

1.1 光固化立体印刷

Charles W Hull博士于1986年发表了一篇专利，提出了光固化立体打印方法的概念，该方法通过激光扫描彩色光敏树脂表面并进行固化来制作三维物体。该技术利用通过计算机控制的紫外激光束，依据计算机模型设立的每一个分层截面的路径逐点扫描，使薄层树脂在扫描区域发生光聚合或光交联反应，并进行固化。在一个分层截面固化完成后，工作台会在垂直方向上移动，在先前已经固化的树脂表面上覆盖一层新的液体树脂再次进行扫描和固化，最终通过逐层叠加得到三维模型。SLA具有精度高、性能稳定以及产品机械强度高等优点，但其成型后的产品需要通过清洗去除杂质，此过程中产品可能发生变形[2]。已有研究表明，光固化立体打印技术可以用于生产生物医学材料，例如骨[3]、软骨[4]、血管[5]等，为后期患者的植入修复提供更理想的条件。

1.2 选择性激光烧结

一般而言，选择性激光烧结(SLS)一般为一种基于粉状材料的制造加工技术。在SLS过程中，粉末材料会自然堆积而形成空隙，这些空隙会降低烧结件的密度和机械性能[6-7]。因此，粉末的微观结构和物理化学特性是SLS工艺中的重要参数，直接影响流动性和堆积密度，最终影响制造部件的密度、尺寸精度和机械性能[8]。一般来说，粉末的球形度直接决定了零件的表观质量，球形度越好，表观质量越高[9]。为了制备具有不同单细胞拓扑结构的多孔骨支架，Xu等[10]采用了选择性激光烧结法，并通过静态压缩试验评估了每种结构类型的骨支架所能承受的最大应力和最大承载力，得到了不同结构骨支架的力学性能差异。体外研究表明，不同结构的骨支架具有不同的力学性能，在临床中，可以根据患者的不同需求选择不同结构的骨支架。

1.3 熔融沉积成型

通过底部带有微细喷嘴的熔融沉积成型(FDM)技术原理是利用计算机控制喷嘴移动到指定位置，在加热和熔化材料后将其挤出并固化，最终制成三维产品。FDM材料往往由热塑性成分如聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸、聚氯乙烯和聚乙烯醇等构成。该技术有原理简单、环保、强度和精度高并不受使用环境限制等优点。近年来，FDM技术已广泛应用于制药、生物医学、汽车和电子器件等领域的产品设计和开发。在一个由Wang等[11]进行的研究中，他们利用聚乳酸为基材，氧化石墨烯为增强剂，以三周期最小表面为多孔材料，成功开发了具有TPMS结构的PLA/GO支架，并对其多孔结构、力学性能和生物学性能进行了评价。机械试验结果表明，GO可以有效地提高PLA的抗拉和抗压强度；仅添加0.1%的GO，其抗拉和抗压模量就分别增加了35.6%和35.8%。然后，设计了TPMS结构支架模型，并使用FDM制备了TPMS结构PLA/0.1%GO纳米复合材料支架。通过压缩试验可得出结论，TPMS支架的承压能力高于晶格结构的支架。这是由于TPMS连续的弯曲结构能够减轻应力集中，并实现更均匀的应力分布。此外，细胞培养实验结果表明，使用TPMS结构支架的骨髓基质细胞(BMSC)更容易附着、增殖和分化成骨细胞，这是因为TPMS的连续表面结构具有更好的连接性和更大的比表面积。综上所述，PLA/GO材料制成的TPMS支架在骨修复方面具有潜在的应用前景。

1.4 3D生物打印

生物3D打印技术是一种增材制造技术，通过按需设计的3D模型来精确定位和组装生物材料，其中甚至可以混合活细胞。通过软件分层离散和数控成型的方式，可以制造出各种生物医学产品，例如人工植入支架[12]、组织器官[13]以及医疗辅助设备[14]。这种将生物材料应用于增材制造领域的方法具有十分广阔的前景。3D打印技术因其具有快速、准确、个性化、差异化的特点，因此很适合制造复杂多变的实体。因此，生物3D打印技术可以与生物材料、细胞培养、医学成像和软件辅助技术相结合，为患者特定的解剖结构、生理功能和治疗需要设计和制造用于个性化医疗和精准医疗的医疗辅助装置、人工植入支架、组织和器官等医疗产品。在骨支架领域，Liu等[15]利用3D生物打印技术，采用了纳米ATP/GelMA复合水凝胶作为基质，并通过加载BMSCs和MUVECs成功制备了一种具有优良打印性能和机械性能、良好细胞相容性的水凝胶支架。实验结果表明，该3D打印的水凝胶支架能够有效促进骨再生和血管生成。可见，3D生物打印技术对生物医学材料的制备及临床医学的治疗都具有十分重要的意义。

2 3D打印技术制备的支架材料及其应用

支架材料的三维打印技术具备方便、高度个性化以及高自由度的优点，代表了组织工程支架材料方面的一项重大突破。目前已经出现了众多通过3D打印技术制备的支架材料，如骨科[16-19]、牙周[20-21]、心脏[22-24]、神经组织工程支架[25]等。这种支架材料应当具备优良的机械性能，能够精准地打印出三维支架，同时还应当具有良好的生物性能，以满足细胞增殖和粘着的要求。通常，支架材料可以分为两类：聚合物和生物陶瓷材料。前者包括海藻酸盐[26]、壳聚糖[27]、胶原蛋白[28]等高分子材料，这些材料具有良好的延展性和可塑性，可以根据临床需要进行改良。而后者则包括羟基磷灰石、硅酸盐、氧化钙等生物陶瓷材料，其成分接近于骨矿化基质，可促进细胞的增殖和分化，降解率较低，可以更好地促进组织重建，并具备稳定的化学性质、高强度和耐磨性等特点。

3 3D打印骨支架的研究

骨支架具有填充骨缺损、引导新骨生长和在体内承受负荷的作用[29]。然而，骨支架在承受负荷时产生应力集中，而应力集中会导致骨支架开裂或崩溃，导致骨支架的强度不足以满足骨植入物的要求。因此，为了提高骨支架的力学性能和生物相容性，实现理想的骨组织再生，学者们对再生性支架材料展开了一系列探索。研究表明，支架结构和孔隙率是影响多孔骨支架力学性能和生物相容性的重要因素。

3.1 支架结构

骨支架中的关键特征是骨支架结构，因为它会很大程度上地影响骨支架的机械性能和生物相容性。骨支架除了发挥承重功能，还应该能够促进血管生成。多孔结构的相互连接能够允许自然细胞的移植和增殖[30]。另外，骨支架结构的最佳设计应该能够提供足够的表面积来促进细胞-支架相互作用，并协助氧气和营养物质的扩散以及废物的排出。Duan等[31]使用传统的多孔制备技术提高了直接在微结构上书写墨水的构建性能，并通过3D凝胶打印(3DGP)成功制备了分层的多孔支架。磷酸三钙(TCP)纳米粉通过化学共沉淀法被涂覆在微米级羟基磷灰石(HA)上，形成双相磷酸钙(BCP)。凹形微孔的随机结构通过在BCP浆料中填充PMMA微球实现，同时成功控制了内部孔隙率的印刷长丝。该研究成功构建了具有三级多孔结构的支架，即1.50～2.00 mm的宏观孔隙，100～200 μm的球形微孔，以及1.00～10.00 μm的粉末间隙。涂有纳米TCP的微米级HA粉末提高了BCP颗粒的烧结能力。在1400 ℃下烧结的支架具有84.98%的孔隙率和2.78 MPa的抗压强度。这表明，通过3D打印制备的分层多孔BCP支架在骨组织工程方面具有巨大的应用前景。

3.2 孔隙率

在骨组织工程支架的制备过程中，孔隙率是另一个重要的评估支架成型性能的因素[32]。过高的孔隙率会导致支架的力学性能降低，而过低的孔隙率则会阻碍新骨生长，使得植入的支架无法达到预期效果。因此，适宜的孔隙率有助于种子细胞的粘附和增殖，促进营养物质和代谢产物的交换，同时提高支架成骨能力。为此，Zhang等[33]采用UG建模和ANSYS分析，比较了不同孔隙率(50%、60%和70%)的骨组织工程支架模型在理论力学性能方面的差异。此外，使用加入了羟基磷灰石和聚乙烯醇的水凝胶作为支架材料，在严格控制纤维间距的条件下，对具有不同孔隙率的3D打印支架进行比较，并综合分析了支架的宏观特征、微观结构以及生物力学性能，最后确定了具有最佳性能的骨组织工程支架的孔隙率。因此，合理选择孔隙率是提高成骨效率的重要基础，可以通过实现对孔隙连通性和支架力学性能的调控，使骨组织工程支架能更好地发挥支持细胞和生长因子的作用。

Mohammad等[34]使用3D打印技术制备了一种超材料骨支架，该骨支架是由多个立方体单元堆积而成。其制备了含有不同孔隙率的立方体单元，分别为25%，30%，50%和55%的四种状态，比较其力学性能及生物相容性。实验结果表明，30%的孔隙率是最佳的选择。因此，研究人员使用30%的孔隙率制造了超材料骨架。Velioglu等[35]使用3D打印技术和PLA材料制造了三种股骨样品，这些样品包含具有不同孔径的多孔立方体单元。通过测试得出结论：随着孔径大小或孔隙率的增加，机械性能会下降。

4 结 语

3D打印技术的快速发展使人工骨支架的定制和个性化生产成为可能，使其更适合患者的身体特征，这对实现精准医疗和个性化医疗有积极的促进作用[36]。本篇综述着重阐述了骨支架材料的最新研究。此外，还对不同类型的3D打印/3D生物打印技术在制造骨支架时的打印方法和骨植入物的开发进行了详细说明。机械性能和生物相容性是生物骨支架增材制造中重点关注的两个方面，过去的研究证实，支架结构、孔隙率和孔径大小等因素在改善支架机械性能和生物相容性方面可以发挥重要作用，同时这些方面也是目前改善骨支架机械性能的主要研究方向。

目前，虽然通过3D打印技术对骨支架的力学性能和生物相容性的进行改进已经有了一定的进展，但仍存在一些挑战。大多数骨支架打印材料的打印条件需要苛刻的打印环境，或植入物制造的后处理步骤，而促进可行的细胞打印环境的3D打印机的设计和开发将有助于改进个性化的骨组织等同物[37]。此外，增材制造是一项昂贵的技术，涉及3D打印机的运行成本、材料成本、消毒、包装和运输成本。因此，在决定植入物的成本方面，打印类型存在一个重要的断点，这需要在未来加以解决。另外，对于可降解的生物可降解骨支架，目前其降解率很难与人体骨再生率相匹配，而材料的复合为解决速率匹配问题提供了一个思路[38]。随着制造科学、材料科学、力学、生命科学和再生医学的交叉融合，增材制造生物骨支架将以其独特的优势迎来临床应用的曙光。