了解生物3D打印，從這篇文章開始

魔猴君  行業(yè)資訊   2172天前

3D打印滲入了各行各業(yè)，并引領(lǐng)創(chuàng)新，引發(fā)了全球制造業(yè)的變革,生物3D打印是3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的交叉應(yīng)用，具有重要的研究意義及應(yīng)用前景。運(yùn)用3D打印技術(shù)既可以制作標(biāo)準(zhǔn)模型，也可以為病人量身訂制結(jié)構(gòu)復(fù)雜的手術(shù)支架等。通過計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）或者核磁共振（MRI）等醫(yī)學(xué)成像技術(shù)對病人骨缺損部位進(jìn)行掃描得到所需要的支架模型，隨后使用三維打印機(jī)進(jìn)行打印成型。這是傳統(tǒng)的成型技術(shù)難以達(dá)到的。近年來，三維打印技術(shù)在醫(yī)用領(lǐng)域內(nèi)取得了廣泛應(yīng)用，包括顱面移植、冠齒修復(fù)、假體器件、醫(yī)療設(shè)備、外科手術(shù)模型、器官打印、藥物傳輸模型、骨組織工程支架方面的應(yīng)用。三維打印技術(shù)由于其可量身訂制性，結(jié)構(gòu)和孔隙可控性以及可復(fù)合多種材料等特性受到了研究人員的廣泛關(guān)注。這一趨勢也為許多具有突破性的治療方案及設(shè)備的發(fā)明提供了靈感。
接下來我們會(huì)詳細(xì)介紹骨組織工程領(lǐng)域內(nèi)目前可用于三維打印的生物材料，包括它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及打印標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)由于不同的打印機(jī)能夠打印的生物材料不盡相同，所以我們也對三維打印機(jī)的種類及成型原理進(jìn)行了簡要概述。我們希望該篇綜述能夠鼓勵(lì)更多的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)明新的生物材料，最終使得三維打印技術(shù)在骨組織工程領(lǐng)域取得更大發(fā)展。
1.3D打印技術(shù)分類介紹
生物材料能否被打印這與所使用的三維打印機(jī)器有很大關(guān)系。不同的打印機(jī)對材料的要求不盡相同。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要使用的打印機(jī)分為四種類型：光固化立體印刷技術(shù)、熔融沉積打印技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、直接漿料擠壓技術(shù)。
熔融沉積以及直接漿料擠壓技術(shù)，是兩種常用的制備骨組織工程支架的辦法。直接打印的漿料有些是與水或者低沸點(diǎn)溶劑（二氯甲烷(DCM)、二甲亞砜（DMSO）混融的聚合物溶液，有些是在擠出后能快速揮發(fā)的聚合物溶液，或者一些水凝膠能夠在擠出后依然維持原來的結(jié)構(gòu)。通過三維打印成型的水凝膠在擠出后能夠通過觸變行為、溫度感應(yīng)或者交聯(lián)等方式維持形狀。對于熔融沉積和直接打印來說，分辨率可達(dá)到在XY平面噴頭尺寸25微米，層厚200-500微米。通常情況下這兩種方法在打印長的沒有支撐的或者有尖銳突出部分的模型時(shí)有問題。擠出的細(xì)絲沒有足夠的強(qiáng)度來立即支撐出自身，所以在沒有支撐的部分會(huì)出現(xiàn)松弛或者完全倒塌的情況。為了解決這一問題，有時(shí)在打印的過程中也添加填充材料，在打印完成之后用溶劑溶掉或者高溫煅燒掉。
粒子熔化的三維打印技術(shù)在工業(yè)原型生產(chǎn)中已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用，包括選擇性的激光燒結(jié)沉積技術(shù)以及粒子粘連技術(shù)，它們不僅能打印聚合物、陶瓷、金屬及其復(fù)合材料，還能賦予其獨(dú)特或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)使用有特定方向的激光使聚合物或者金屬粒子達(dá)到其熔點(diǎn)以上溫度，從而使粒子熔化在一起。激光束會(huì)根據(jù)電腦模型分層處理，從頂部開始使粒子熔化成型，并不斷重復(fù)此步驟達(dá)到最后的效果[3]。選擇性激光技術(shù)成型較慢、成本較高，并且需要使用大量材料，但是其能夠在單一機(jī)床上成型多種材料的能力使其在許多制造領(lǐng)域中依然占據(jù)用武之地。粒子粘結(jié)技術(shù)也被稱作非方向性的激光燒結(jié)技術(shù)，其主要原理與選擇性激光燒結(jié)技術(shù)類似。但是與激光使粒子熔化不同，粒子粘結(jié)技術(shù)使用液態(tài)的粘結(jié)劑溶液使粒子粘結(jié)，進(jìn)而通過高溫煅燒得到三維固體。選擇性的激光燒結(jié)技術(shù)以及粒子粘連技術(shù)已經(jīng)在矯形或者口腔外科等硬組織工程領(lǐng)域得到運(yùn)用。
立體平板印刷技術(shù)是將紫外光或者激光穿過可以光致聚合的液態(tài)聚合物，使其形成單一的堅(jiān)固的聚合物簿膜。在聚合后，基板下降到溶液中，這樣新的樹脂能夠在打印的表面上流過，在上方聚合。在所有打印技術(shù)中，立體平板印刷具有最高的分辨率，傳統(tǒng)的立體平板印刷分辨率達(dá)到25微米，而微米級的立體平板印刷以及高精確的立體平板印刷技術(shù)分辨率達(dá)到了單微米級別。然而由于立體平板印刷由于其只能在紫外光下交聯(lián)、延伸的后成型特性、缺乏合適的力學(xué)性能、樹脂在最后容易被堵塞，以及最重要的缺乏相關(guān)可用于立體平板印刷技術(shù)的生物相容性及生物降解性的材料，使得其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域缺乏發(fā)展空間。但近年來由于一些天然的或合成的可交聯(lián)的生物材料的發(fā)現(xiàn)，給立體平板印刷在組織工程領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了很大機(jī)會(huì)。
2.三維打印生物醫(yī)用材料分類
在過去的十幾年中，三維打印技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，這也讓其在許多新領(lǐng)域中得到應(yīng)用，更是吸引了醫(yī)療設(shè)備以及組織工程領(lǐng)域的目光。由于三維打印能夠以短時(shí)間、低成本為病人量身訂制特定的醫(yī)療產(chǎn)品，這也使得三維打印技術(shù)在未來的個(gè)人醫(yī)療時(shí)代有極大的發(fā)展前景。目前，已經(jīng)有大量生物材料通過三維打印的方式制備骨組織工程支架或者其他一些醫(yī)療產(chǎn)品等。在本環(huán)節(jié)中，我們將針對不同的打印技術(shù)需要的材料性能進(jìn)行整體概述，并重點(diǎn)介紹目前已經(jīng)應(yīng)用過的生物材料及其優(yōu)缺點(diǎn)。
2.1 陶瓷基漿料
生物醫(yī)用活性陶瓷能夠模擬自然骨的礦物相、結(jié)構(gòu)以及機(jī)械性能，是理想的仿生骨修復(fù)材料。目前應(yīng)用3D打印機(jī)直接打印陶瓷材料有很大難度，因?yàn)橐簯B(tài)的陶瓷材料數(shù)量很少，并且其熔點(diǎn)遠(yuǎn)在熔融沉積打印方式所能承受的范圍之外。另外，由于陶瓷材料缺乏光敏特性，因此不適用于光固化立體印刷技術(shù)。應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)打印系統(tǒng)也很難打印出高比重又多孔的結(jié)構(gòu)。直接擠壓式的三維打印技術(shù)是目前打印陶瓷材料最有前景的方法，陶瓷粉體必需有合適的顆粒粒徑（通常情況下10-150微米），以及合適的粘結(jié)溶液，使其易于打印成型。
羥基磷灰石粉末被廣泛應(yīng)用于三維打印中，這和其礦物相中磷酸鈣的大量存在有關(guān)。通過聚丙稀溶液一層一層濺射到HA粉末上，隨后進(jìn)行燒結(jié)完成固化過程，這樣我們就得到了羥基磷灰石的聯(lián)接體。通過燒結(jié)，其抗壓強(qiáng)度(0.5-12Mpa)可達(dá)到人體松質(zhì)骨的最低要求。將其移植到小鼠模型中，8周后支架邊緣開始有新骨生成，內(nèi)部也有類骨質(zhì)以及血管長入。但盡管人工骨支架性能優(yōu)異，但距離臨床使用標(biāo)準(zhǔn)仍然相差甚遠(yuǎn)。
生物玻璃是內(nèi)部分子呈無規(guī)則排列狀態(tài)的硅酸鹽的聚集體，材料中的組分可以同生物體內(nèi)的組分互相交換或者反應(yīng)，最終形成與生物體本身相容的物質(zhì)。研究者通過細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對生物活性玻璃進(jìn)行了一些列研究，發(fā)現(xiàn)生物玻璃具有優(yōu)越的自降解性能，其離子產(chǎn)物可以增強(qiáng)成骨細(xì)胞的增殖分化和激活成骨基因的表達(dá)。為了有效治療腫瘤相關(guān)的骨缺損病癥，Lu等[9]首先制備了磁性納米粒子改性的介孔生物玻璃，并將其與殼聚糖混合，制備得到多孔復(fù)合支架。該復(fù)合支架具有良好的骨再生和光熱治療功能，在腫瘤相關(guān)骨缺損的治療中有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。
2.2 生物醫(yī)用高分子材料
醫(yī)用高分子打印材料具有非常優(yōu)異的加工性能，可適用于多種打印模式，并且具有良好的生物相容性和降解性，使得其成為三維打印生物材料中的主力軍。不同的打印技術(shù)需要設(shè)定不同的材料打印參數(shù)。比如熔融沉積打印所使用的是熱塑性的高分子材料，只需將原材料拉成絲狀即可打印，但其直徑通常在1.75mm左右，并且要具有很快的固溶轉(zhuǎn)變性能，以保證在擠出前迅速熔化，擠出后能迅速冷卻。光固化立體印刷打印技術(shù)需要漿料呈液體狀態(tài)，且具有光敏特性。
目前最受研究者青睞也是被應(yīng)用最多的三維打印高分子材料是可降解的脂肪族聚酯類材料，如聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）等。聚己內(nèi)酯是一種半晶型高聚物，曾經(jīng)一度被拋棄，直到組織工程和三維打印的興起，PCL也再度走上歷史舞臺。聚己內(nèi)酯在被加熱時(shí)有優(yōu)異的流變性能及粘彈性，這使得其成為以熔融沉積為原理的打印機(jī)最主要應(yīng)用的材料之一。
聚己內(nèi)酯在體內(nèi)能夠穩(wěn)定存在長達(dá)六個(gè)月，隨后在逐步降解，且副產(chǎn)物對人體無毒無害。聚乳酸是一種線型熱塑性脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性和生物降解性。但由于聚乳酸的降解是由酯鍵水解實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)由于乳酸的釋放導(dǎo)致了周圍體液環(huán)境中PH值的下降。這些酸性副產(chǎn)物易引發(fā)組織炎癥及細(xì)胞死亡。
為了改善這一問題，研究者們將聚乳酸與生物陶瓷復(fù)合，來制備復(fù)合支架，以提高其生物響應(yīng)性以及阻礙酸性環(huán)境的形成。Ion等利用3D打印技術(shù)制備了一種新型的磷灰石-硅灰石/聚乳酸(AW/PLA)復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)與皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的性質(zhì)相匹配。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明， AW/PLA復(fù)合支架能夠有效促進(jìn)大鼠骨髓基充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和成骨分化。在大鼠顱骨缺損模型中，復(fù)合支架表現(xiàn)出良好的骨整合與促進(jìn)新骨形成的能力。
除PLA及PCL外，聚丙烯（PPF）是光固化成型中被研究最深入的能夠生物降解且能夠光致交聯(lián)的聚合物材料之一。通常情況下打印的漿料要與富馬酸二乙酯DEF溶劑混合，同時(shí)也要加入光引發(fā)劑。溶液的粘度和PPF與DEF的比值對打印過程以及支架的力學(xué)性能有很大的影響。聚醚醚酮（PEEK）由于其熔點(diǎn)在350℃，所以只能通過選擇性激光燒結(jié)打印技術(shù)來成型。但熔點(diǎn)高也賦予了PEEK 抗熱性，使其能夠在高溫蒸汽殺菌時(shí)依然保持穩(wěn)定。但是作為生物材料來講，PPEK缺乏對組織工程有利的骨整合性，不能與自然骨很好地結(jié)合，所以容易引起一些排斥反應(yīng)，并且價(jià)格偏貴[12]。
2.3 水凝膠漿料
水凝膠是水溶性高分子通過化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)形成的聚合物，具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)自身也容納了大量的水。水凝膠具有可調(diào)節(jié)的強(qiáng)度、降解性、可功能化修飾等性能，并且可作為一種軟性材料從而仿生細(xì)胞外基質(zhì)的微環(huán)境，這使得水凝膠在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可用來制備二維或三維的組織工程支架以及藥物的可控釋放等。常用的三維打印的水凝膠漿料主要分為三類：一類是由天然聚合物制備的，比如藻朊酸鹽、瓊脂、明膠、纖維素、膠原蛋白、絲素蛋白、透明質(zhì)酸等；一類是由合成的聚合物制備的，比如聚丙烯酰胺、聚氨酯、聚乙二醇等；另外一類是由合成聚合物以及天然聚合物構(gòu)成的復(fù)合水凝膠類漿料。
在水溶性合成聚合物中，醫(yī)用聚乙烯醇（PVA）在組織工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。PVA具有良好的生物相容性，無毒易降解，能在95℃時(shí)溶于水，形成凝膠狀，且粘度很大。Zhang等制備了孔道互相連通的MBG/PVA復(fù)合支架材料，PVA的加入顯著加強(qiáng)了材料的韌性。以鼠顱骨脊梁骨缺損為模型的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示出MBG/PVA支架具有優(yōu)異的骨誘導(dǎo)活性，能促進(jìn)骨缺損處新骨生成和血管生成。
目前，已經(jīng)有大量實(shí)驗(yàn)將細(xì)胞與3D打印的生物支架共培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明細(xì)胞能夠在多種三維支架上存活，并且比普通二維培養(yǎng)的效果要好。但這僅僅是細(xì)胞與材料的二維作用，并沒有將細(xì)胞直接置于打印系統(tǒng)中。將細(xì)胞直接與漿料混合進(jìn)行打印作為一個(gè)嶄新的思路也引起了研究者們的廣泛關(guān)注。天然水凝膠具有良好的細(xì)胞相容性。其性質(zhì)組成與細(xì)胞外基質(zhì)相類似，表面粘附蛋白質(zhì)和細(xì)胞的能力弱，幾乎不影響細(xì)胞的代謝過程?？梢园?xì)胞，輸送養(yǎng)分和分泌代謝物。
Andrea等測試了不同比例構(gòu)成的I型膠原蛋白和透明質(zhì)酸的生物墨水配方，確定了一個(gè)最好配方，在支持生物活性的同時(shí)允許生物打印，并且支持原生細(xì)胞-基質(zhì)的相互作用。他們將該配方應(yīng)用于包含人類原代肝細(xì)胞和肝星狀細(xì)胞的3D肝組織構(gòu)建中，并測試了對乙酰氨基酚(一種常見的肝臟毒物)的作用。研究結(jié)果表明，甲基丙烯酸甲酯型膠原蛋白和硫醇型透明質(zhì)酸的結(jié)合產(chǎn)生了一種簡單的、可印刷的生物墨水，這種生物墨水可以調(diào)節(jié)間質(zhì)細(xì)胞的生長，并且對藥物治療有適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

3. 結(jié)論與展望
三維打印技術(shù)有很大的應(yīng)用前景，但是成為生物醫(yī)用領(lǐng)域的主力成員還有大量問題需要解決。其中一個(gè)問題在于三維打印機(jī)自身能力的局限性，盡管其建造速度及打印精度已經(jīng)有了很大的提高，但是在許多情形下依然不能達(dá)到最好水平。另外一個(gè)主要問題在于可選擇的生物材料的局限性。盡管大量可以打印的材料都具備自己的優(yōu)勢，但是用于移植的材料既要滿足生理?xiàng)l件的要求，又要與人體有一個(gè)良好的應(yīng)答反應(yīng)。
通常情況下，理想的骨科移植材料需要具有如下特性:
（1）可打印性，
（2）生物相容性，
（3）優(yōu)異的力學(xué)性能，
（4）良好的降解性，
（5）副產(chǎn)物無毒且可降解，
（6）良好的組織仿生性能。
不同種類的打印機(jī)對材料的要求也不盡相同，并且這些特性有時(shí)候很難全部滿足。例如，在骨組織工程中，一方面需要強(qiáng)度高的支架材料以滿足成骨細(xì)胞的增長和承受載荷，但是這也導(dǎo)致了支架降解困難的問題。一些強(qiáng)度低的軟性材料容易打印并且容易降解，但是卻不能應(yīng)用于承重部位。一般情況下，三維打印的漿料由于其自身的硬度與天然骨接近被應(yīng)用于骨骼以及軟骨修復(fù)領(lǐng)域。從根本上講，生物材料的選擇要在其各項(xiàng)性能上進(jìn)行選擇平衡，以得到理想的材料。
聚合物生物漿料已經(jīng)被廣泛地研究了，尤其是價(jià)格低廉的彈性體，如PLA和PCL。這些材料有很好的生物相容性以及機(jī)械性能，被廣泛地用作基底材料。在未來的研究中，除了這些還要注重聚合物材料的降解性、脆性以及細(xì)胞相容性等等。陶瓷材料，如HA和β-TCP，傳統(tǒng)上就被認(rèn)為是硬組織工程支架的理想材料，現(xiàn)在也越來越多地被應(yīng)用到陶瓷和聚合物復(fù)合材料的研究中，陶瓷材料的添加能夠提高支架的強(qiáng)度，并且提高復(fù)合材料的生物學(xué)性能。
水凝膠生物漿料的發(fā)展和打印系統(tǒng)讓我們越來越接近打印多功能的、搭載細(xì)胞的模型系統(tǒng)中，也給了我們希望，有朝一日能夠?qū)崿F(xiàn)器官打印。這一過程已經(jīng)由對超分子水凝膠漿料的研究就開始了。最后，三維打印技術(shù)要想真正地應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域，如何進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)、如何控制質(zhì)量、如何解決管理障礙都是需要解決的問題。雖然前路道阻且長，但三維打印在組織工程和醫(yī)藥領(lǐng)域終將大放異彩！

來源：中國3D打印網(wǎng)