生物材料的3D打印研究進(jìn)展

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(上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200093)

生物材料的3D打印研究進(jìn)展

朱敏,黃婷,杜曉宇,朱鈺方

(上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200093)

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域,通過(guò)對(duì)生物材料或活細(xì)胞進(jìn)行3D打印,可構(gòu)建復(fù)雜生物三維結(jié)構(gòu)如個(gè)性化植入體、可再生人工骨、體外細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)體、人工器官等,因而基于生物3D打印在個(gè)性化定制及復(fù)雜結(jié)構(gòu)調(diào)控制造上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),綜述了生物3D打印技術(shù)的基本工藝、應(yīng)用領(lǐng)域與研究進(jìn)展.重點(diǎn)針對(duì)3D打印生物材料這一研究熱點(diǎn),全面討論了噴墨打印和注射擠出打印兩種路徑,分析總結(jié)了3D打印相關(guān)生物材料并應(yīng)用于體外模型、醫(yī)療器械和植入體的制造以及可降解組織支架、細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)體的構(gòu)建,最后對(duì)該技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和研究重點(diǎn)提出展望.

生物材料;3D打印; 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用; 研究進(jìn)展

1 生物3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)(three-dimensional printing,3DP),又名快速成型、實(shí)體自由成型、增材制造等,是基于離散-堆積原理,在計(jì)算機(jī)輔助下通過(guò)層層堆積形成三維實(shí)體的有別于傳統(tǒng)減材制造的先進(jìn)制造方法[1-2].因高精度、個(gè)性化制造及復(fù)雜形狀構(gòu)建上的獨(dú)特顯著優(yōu)勢(shì),3D打印滲入了各行各業(yè)并引領(lǐng)創(chuàng)新,引發(fā)全球制造業(yè)產(chǎn)生革命性變革[3-6].

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域,3D打印技術(shù)通過(guò)對(duì)生物材料或活細(xì)胞進(jìn)行3D打印,可構(gòu)建復(fù)雜生物三維結(jié)構(gòu)如個(gè)性化植入體、可再生人工骨、體外細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)體、人工器官等[7-9].以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)的組織工程支架和器官打印技術(shù)的發(fā)展[6]是目前3D打印技術(shù)研究的最前沿領(lǐng)域,也是3D打印技術(shù)中最具活力和發(fā)展前景的方向之一.當(dāng)前以組織器官修復(fù)與重建為目的,國(guó)際上開發(fā)了各種生物3D打印技術(shù),包括用于組織工程支架構(gòu)建的熔融擠出技術(shù)、基于噴墨技術(shù)的細(xì)胞打印、細(xì)胞和細(xì)菌的激光直寫以及T細(xì)胞和細(xì)菌的微接觸印刷等[6-10].

生物3D打印涵蓋的內(nèi)容十分廣泛[11],根據(jù)打印材料的不同可將其劃分為4個(gè)層次的應(yīng)用:

a. 個(gè)性化體外模型制造.材料為無(wú)需生物相容性和降解性的工程材料,主要為手術(shù)規(guī)劃、假肢設(shè)計(jì)、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等制造體外的模型[12-13].

b. 個(gè)性化植入體制造材料.為具有良好生物相容性且不易降解的生物材料,如鈦合金[14]、聚氨酯類聚合物[15-16]等,用于制造人工假肢植入物、組織缺損部位支撐和替代,以及整形外科.

c. 可降解組織工程支架制造.針對(duì)組織工程應(yīng)用,要求材料既具有良好的生物相容性又有匹配的降解性能,避免自體或異體組織移植中的問(wèn)題.以支架模擬細(xì)胞外基質(zhì),相應(yīng)細(xì)胞在支架上經(jīng)體外培養(yǎng)后植入體內(nèi),誘導(dǎo)組織再生與修復(fù)[17-18].

d. 細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)體的人工構(gòu)建.材料為活細(xì)胞及其外基質(zhì)材料,如肝細(xì)胞-明膠、干細(xì)胞-膠原等,用于構(gòu)建三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)體、體外三維細(xì)胞模型及組織或器官胚體等[19-22].

這4個(gè)層次的生物3D打印對(duì)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、藥物篩選和臨床應(yīng)用都具有重要的促進(jìn)作用.

通常,生物3D打印的實(shí)施包含3個(gè)步驟:(影像)數(shù)據(jù)獲取與三維模型設(shè)計(jì)、打印墨水(材料和細(xì)胞)選擇和組織構(gòu)架的3D打印工藝.

1.1(影像)數(shù)據(jù)獲取與三維模型設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)打印組織或器官最終的功能性及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確復(fù)制,在打印之前采用醫(yī)學(xué)影像檢查方法收集組織結(jié)構(gòu)和組成信息以構(gòu)建打印模型是至關(guān)重要的.最常見的兩種影像學(xué)手段是CT(計(jì)算機(jī)X射線斷層成像)和MRI(磁共振成像).牙科領(lǐng)域?yàn)楂@得圖像數(shù)據(jù)還會(huì)使用錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描(CBCT).這3種技術(shù)均可獲得二維截面的解剖信息,通過(guò)專業(yè)軟件對(duì)系列截面的三維重構(gòu)建模即可得3D打印機(jī)接受的STL格式圖形文件,繼而最終制造出生物產(chǎn)品三維實(shí)體[23].

近十多年來(lái),歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家科研機(jī)構(gòu)對(duì)于醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)的研究相當(dāng)活躍,其技術(shù)水平正從后處理向?qū)崟r(shí)跟蹤和交互處理發(fā)展,并且已經(jīng)將超級(jí)計(jì)算機(jī)、光纖高速網(wǎng)、高性能工作站和虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來(lái),代表著這一技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向.在市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域,如表1所示,目前已有多個(gè)較為成熟的商品化三維醫(yī)學(xué)影像處理系統(tǒng).

表1 常見商品化三維醫(yī)學(xué)影像處理與分析系統(tǒng)[24]Tab.1 Common 3D medical image analysis and processing systems

1.2生物材料打印墨水的選擇

基于生物應(yīng)用指向的3D打印技術(shù),其打印材料組成與其他領(lǐng)域3D打印材料相比具有更多特殊要求.例如,高溫?zé)Y(jié)、有機(jī)溶劑、紫外輻照和交聯(lián)劑等條件在生物3D打印過(guò)程中往往須盡量避免[25].具體來(lái)說(shuō),根據(jù)應(yīng)用目的須考慮以下要求:

a. 可打印性.材料的黏度、流變和凝膠化等性能直接影響到3D打印的可操作性,決定打印制品的空間和時(shí)間分辨率[26].

b. 生物相容性.包含生物安全性和生物功能性.材料不僅要求很低的毒性及不引起機(jī)體的任何不良反應(yīng),而且也要求材料在特定的應(yīng)用中激發(fā)機(jī)體的相應(yīng)功能[27].

c. 降解性.包括材料的降解速度可控性、與組織再生速度的匹配性、降解產(chǎn)物安全性、材料的溶脹和收縮特性等[28].

d. 結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能.3D打印的材料往往具有支撐細(xì)胞和組織三維結(jié)構(gòu)的作用.針對(duì)特定的組織類型,從皮膚、肌肉、軟骨到硬骨,材料打印后須具有不同的力學(xué)強(qiáng)度和微結(jié)構(gòu),尤其是材料的孔隙[29].

e. 仿生學(xué)特性.材料仿生學(xué)特性有利于刺激細(xì)胞響應(yīng).在生物材料中摻入生物活性組分可對(duì)內(nèi)源或外源細(xì)胞的粘附、遷移、增殖及功能表達(dá)產(chǎn)生積極作用[30-31].另外,材料表面性質(zhì)如化學(xué)基團(tuán)的修飾、粗糙度、親疏水性、微納米結(jié)構(gòu)等直接影響到細(xì)胞的鋪展形狀、分化過(guò)程、運(yùn)動(dòng)、取向、細(xì)胞骨架的組裝,甚至是細(xì)胞內(nèi)部的相關(guān)信號(hào)通路[32].

1.3生物材料3D打印工藝

用于生物材料,包括材料/細(xì)胞復(fù)合體材料的3D打印技術(shù)手段主要有兩種類型:噴墨生物打印和注射式生物打印.兩者在打印產(chǎn)品的表面分辨率、細(xì)胞存活率以及生物活性材料選用等方面具有不同特點(diǎn)[7],其工作原理和技術(shù)方法如圖1所示.

圖1 “生物墨水”的3D打印技術(shù)方法 [7]Fig.1 Two strategies of 3D-printing “Bioinks”

噴墨式3D打印機(jī)是目前生物3D打印領(lǐng)域最常見的打印機(jī)類型,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)和按需噴射.實(shí)際上,3D噴墨打印機(jī)是從傳統(tǒng)的2D打印機(jī)發(fā)展而來(lái),其原理差別不大,只是利用生物材料替代打印墨水,利用一個(gè)可升降的平臺(tái)替代紙張,是低成本和經(jīng)濟(jì)性的3D打印機(jī).目前,多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正致力于研究開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率和高精確度的含細(xì)胞液滴的3D打印,打印液滴體積可控制在1～300 pl,每秒噴射速度可在1～10 000滴范圍內(nèi)調(diào)節(jié),可以準(zhǔn)確地打印成寬約50 μm的圖案[33-35].

目前,噴墨式3D打印機(jī)擠出墨水的方式有熱驅(qū)動(dòng)和聲驅(qū)動(dòng)兩種.熱驅(qū)動(dòng)式打印噴頭通過(guò)局部電阻加熱產(chǎn)生氣泡,擠壓噴頭內(nèi)液體獲得液滴[36].這種熱泡擠壓打印噴頭盡管使用范圍較廣,打印速度較快,但是其在液滴方向、均勻性和尺寸控制上表現(xiàn)得不盡如人意,且噴射過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力、噴頭堵塞、細(xì)胞裸露等問(wèn)題往往對(duì)打印產(chǎn)生不利影響.為克服以上問(wèn)題,可通過(guò)壓電器件的逆壓電效應(yīng)造成材料變形,使噴頭內(nèi)液體體積和壓力發(fā)生變化而擠出液體.聲驅(qū)動(dòng)打印噴頭以聲波配合超聲場(chǎng)來(lái)噴射液滴,擠壓出的液滴大小和擠壓速度可由超聲強(qiáng)度、時(shí)間、脈沖等參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制[37].噴墨式3D打印在擠出墨水時(shí)產(chǎn)生的剪切力容易對(duì)細(xì)胞造成損傷,而且要求擠出的材料必須是液態(tài)的形式,極大地限制其應(yīng)用[38].因此,提高噴墨式3D打印細(xì)胞存活率及優(yōu)化打印工藝仍然面臨挑戰(zhàn).

與噴墨式生物3D打印相比,注射式生物3D打印直接采用壓縮空氣或通過(guò)壓縮空氣直線電動(dòng)機(jī)推動(dòng)的活塞將注射筒中的材料連續(xù)擠出,對(duì)于黏度較大的“生物墨水”的打印優(yōu)勢(shì)更為明顯[33].目前已有文獻(xiàn)報(bào)道的注射式3D打印材料種類相當(dāng)豐富,黏度范圍30～6×107mP·s,可同時(shí)涵蓋打印所需的高強(qiáng)度支撐材料和低黏度含活細(xì)胞材料[39-43].注射式的噴頭設(shè)計(jì)可處理高濃度的細(xì)胞懸浮液,具有構(gòu)建高細(xì)胞濃度的組織和器官的潛能[44].含多種細(xì)胞的細(xì)胞團(tuán)在被擠出沉積后得到的細(xì)胞團(tuán)聚體,在一定程度上具有了類似細(xì)胞外基質(zhì)材料的力學(xué)性能和功能,因而可作為自組裝的單元在粘彈性能驅(qū)動(dòng)下發(fā)生融合和自組裝,形成3D結(jié)構(gòu)[45].這種細(xì)胞團(tuán)自組裝打印技術(shù)對(duì)器官打印時(shí)內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有獨(dú)到之處[46].

2 生物3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1診斷與手術(shù)規(guī)劃

近年來(lái),醫(yī)學(xué)方面的3D打印技術(shù)發(fā)展主要在于繼續(xù)發(fā)展醫(yī)療成像技術(shù)、開發(fā)虛擬外科手術(shù)規(guī)劃工具、生產(chǎn)針對(duì)特殊患者的器械以及可以直接植入人體的金屬植入物等. 3D打印的模型提供直觀的、可觸摸的信息,有效地提高診斷和手術(shù)水平,便于醫(yī)生與患者之間的溝通,避免了可能的醫(yī)患矛盾.國(guó)內(nèi)外臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已有多例借助3D打印技術(shù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃和模擬的事例.例如2015年,美國(guó)心血管外科醫(yī)生通過(guò)3D打印精細(xì)還原一例“完全型肺靜脈畸形引流”的心臟模型,成功實(shí)施一個(gè)細(xì)節(jié)清晰、過(guò)程復(fù)雜的矯正手術(shù).

3D打印還可制作精準(zhǔn)貼合的術(shù)中導(dǎo)航模板,主要應(yīng)用在顱頸交界、上頸椎、上胸椎、脊柱側(cè)彎、腫瘤等手術(shù)上[12].臨床上因?yàn)檫@些區(qū)域較復(fù)雜,手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、難度大,通過(guò)3D打印導(dǎo)航模板來(lái)指導(dǎo)手術(shù)會(huì)大大增加其安全性[47-48].例如華山醫(yī)院利用3D打印手部手術(shù)導(dǎo)板實(shí)現(xiàn)輔助舟狀骨骨折精確經(jīng)皮內(nèi)固定手術(shù).

2.2個(gè)性化體外模型制造

牙冠、內(nèi)冠固定橋金屬修復(fù)體以及可摘局部義齒的金屬支架等,其形狀精細(xì)、復(fù)雜,要求精度誤差要控制在微米級(jí).傳統(tǒng)的金屬修復(fù)體制作工序復(fù)雜,需要數(shù)次模型的澆筑、復(fù)制,尤其是蠟型的制作只能依賴于技工手工完成,效率和精度低[49].為解決上述問(wèn)題,近年來(lái)出現(xiàn)了口腔金屬修復(fù)體蠟型直接3D打印成形的方法.目前,加拿大Cynovad公司用于義齒修復(fù)體數(shù)據(jù)采集和蠟型制作的Pro50數(shù)字制造系統(tǒng)、美國(guó)Solidscape公司preXacto系列以及3D Systems公司ProJet系列三維蠟型打印機(jī)就是其中的佼佼者.用陶瓷材料替代金屬進(jìn)行3D打印制作口腔修復(fù)體是該領(lǐng)域的主流趨勢(shì),也是21世紀(jì)牙科修復(fù)的發(fā)展方向[50].3D打印陶瓷修復(fù)體所采用的陶瓷材料除目前臨床常用的IPS Empress鑄造陶瓷和氧化鋁陶瓷外,氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷材料因強(qiáng)度高、韌性好而被廣泛研究.例如Ebert等[51]利用噴射噴頭進(jìn)行了氧化鋯牙冠的直接噴墨打印成形,打印的成品陶瓷件的咬合面細(xì)節(jié)清晰,壁厚可小至100 μm,強(qiáng)度可高達(dá)1 200 MPa.當(dāng)采用多噴頭打印,還可以成形具有空腔結(jié)構(gòu)的整個(gè)牙冠和支架.

基于3D打印技術(shù)的假肢制造也為截肢者和醫(yī)生帶來(lái)了全新的高度定制化.例如,Bespoke公司采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制造假肢,通過(guò)對(duì)患者“健康”的腿和他們目前假肢的掃描,并進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)建模以確定肢體能夠保持身體對(duì)稱,從而打印出與患者的身體和生活方式充分吻合并迎合審美的假肢[52].

2.3個(gè)性化植入體制造

目前,國(guó)內(nèi)外已有報(bào)道開始臨床使用的3D打印植入體仍多應(yīng)用于硬組織和關(guān)節(jié)替代或修復(fù).通常骨內(nèi)植入物剛度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋,自體骨與原松質(zhì)骨得不到合適的力學(xué)刺激,從而引起植入物的松動(dòng);而剛度過(guò)低又會(huì)使植入物斷裂,欠缺力學(xué)強(qiáng)度.利用3D打印技術(shù)能通過(guò)不同人的骨模量來(lái)制造個(gè)體化植入物,各種生物力學(xué)均與人體相近,因而具有廣闊的應(yīng)用前景和傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)[48].更具體地來(lái)說(shuō),3D打印的人工骨在組成、形狀、結(jié)構(gòu)等方面可控,與病灶或缺損能夠準(zhǔn)確匹配,產(chǎn)生與人體組織相似的生物學(xué)特性,有效避免了并發(fā)癥的出現(xiàn),如植入物的沉降、塌陷甚至臨近組織的退變[53].3D打印的人工骨可以制作豐富多變的孔隙結(jié)構(gòu),使得打印骨與自體骨通過(guò)孔隙牢固結(jié)合,大大縮短康復(fù)時(shí)間.北京三院的劉忠軍等率先嘗試了在頸椎、脊柱原發(fā)惡性腫瘤患者體內(nèi)直接植入3D打印的人工椎體和人工骨骼,取得了不錯(cuò)的效果[54].該團(tuán)隊(duì)在2016年成功為一名骨科脊索瘤患者切除五節(jié)段脊椎腫瘤,并利用世界首個(gè)3D打印多節(jié)段胸腰椎植入物完成長(zhǎng)達(dá)19 cm大跨度椎體重建手術(shù).

從材料上來(lái)說(shuō),金屬鈦、生物陶瓷及其復(fù)合材料,尤其是功能性梯度材料都可以3D打印制作骨植入物.3D打印通過(guò)對(duì)多種材料的組合,對(duì)構(gòu)成的局域要素(如組分的組成和分布、微結(jié)構(gòu)、孔隙率、物性參數(shù))的控制,乃至在多個(gè)特定方向上材料功能及特性的(準(zhǔn))連續(xù)性變化,可充分滿足工件各部位不同的特性要求[25].例如,常見牙種植體要求由生物金屬(Ti或不銹鋼)和生物陶瓷(HA)組成,體部即下端100%金屬,臺(tái)部即上端100%陶瓷,而兩者之間沿種植體垂直方向具有連續(xù)的梯度成分變化[55].3D打印個(gè)體化的鋼板、鋼釘?shù)葍?nèi)固定物一直被設(shè)想,但由于工藝和技術(shù)上極大的困難目前仍未見報(bào)道.

除骨內(nèi)或關(guān)節(jié)植入體外,美國(guó)密歇根大學(xué)于2013年運(yùn)用3D打印技術(shù)制造了用于治療氣管支氣管軟化癥的夾板,成功挽救3名嬰幼兒的生命.該夾板采用可隨時(shí)間變形的PCL材料,能夠被人體吸收并再生出相關(guān)組織和細(xì)胞[56].如圖2所示,圖(a)是病患在夾板植入前的氣管最小密度投影成像;圖(b)表示計(jì)算機(jī)復(fù)制設(shè)計(jì)為病患量身定制的夾板模型(紅色);圖(c)和圖(d)則是三維打印的氣管夾板;圖(e)和圖(f)是在病患左主支氣管軟化段處手術(shù)植入打印的氣管夾板;圖(g)顯示了夾板植入手術(shù)后1年的氣管擴(kuò)張情況.

圖2 三維打印氣道夾板 [56]Fig.2 3D printing of airway clamp

2.4再生醫(yī)學(xué)

傳統(tǒng)組織再生和損傷修復(fù)的方法包括了自體移植、異體移植與人工合成產(chǎn)品的替代3條途徑[57].然而,來(lái)源有限、免疫排斥、生物相容性差等問(wèn)題極大地限制了這些方法的應(yīng)用,難以真正達(dá)到修復(fù)或長(zhǎng)期替代的效果.組織工程技術(shù)適時(shí)出現(xiàn),給組織再生與修復(fù)帶來(lái)新的生機(jī).常見基于生物材料支架的組織工程方法原理是,在體外要首先制作模仿組織器官形狀結(jié)構(gòu)的多孔支架,然后再結(jié)合種子細(xì)胞形成復(fù)合物植入體內(nèi)進(jìn)一步增殖、分化[58].其中,多孔組織工程支架的制作是至關(guān)重要的一步.

組織工程用支架是一種多孔隙三維結(jié)構(gòu)體,它要求有合適的孔隙尺寸和高連通的孔道結(jié)構(gòu),以提供細(xì)胞足夠和連續(xù)的生長(zhǎng)通道,同時(shí)也保證了水分、無(wú)機(jī)鹽、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和排泄廢物的流通.很多已經(jīng)發(fā)展的支架制備方法有溶液澆注/顆粒濾取法、氣體發(fā)泡法、纖維編織法等,但這些方法的共同問(wèn)題是難以對(duì)支架孔隙的形狀、大小、連接形態(tài)、空間分布等進(jìn)行有效的精確控制,不能滿足組織工程對(duì)支架的復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求,不能使不同細(xì)胞在支架的空間結(jié)構(gòu)中準(zhǔn)確定位等[59-60].3D打印技術(shù)的高度靈活性和可定制性恰好能夠解決上述問(wèn)題,并且在材料打印同時(shí)可將各種生長(zhǎng)因子、蛋白質(zhì)乃至細(xì)胞混合至支架結(jié)構(gòu)中.因此,3D打印在組織工程技術(shù)尤其是組織工程用支架構(gòu)建上體現(xiàn)出無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[61].

目前,3D打印技術(shù)應(yīng)用于組織工程再生/修復(fù)的組織包含骨、軟骨、神經(jīng)、肌肉、血管等,并且已經(jīng)取得了較為理想的研究成果,對(duì)臨床應(yīng)用展現(xiàn)出極大的潛力.

2.4.1骨修復(fù)

骨組織修復(fù)支架的3D打印是目前研究深入、發(fā)表成果最多的生物3D打印應(yīng)用,不同結(jié)構(gòu)與組成的骨修復(fù)支架被打印出來(lái).例如,Castilho等[62]通過(guò)擠出式3D打印制備了孔徑在100～1 000 μm范圍內(nèi)可精確調(diào)控的TCP/HA復(fù)合陶瓷支架,準(zhǔn)確度可達(dá)96.5%.Serra等[63]采用PLA/磷酸鈣的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料,以擠出3D打印方式制備了四方和雙層交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的多孔支架,研究結(jié)果表明結(jié)構(gòu)上細(xì)微的差異就能導(dǎo)致迥異的生物力學(xué)性能.Almeida等[64]按照同樣的打印參數(shù)分別3D打印了PLA和殼聚糖支架,在植入家兔體內(nèi)后考察了兩者的免疫應(yīng)答與炎癥反應(yīng)情況,結(jié)果與支架的組成和結(jié)構(gòu)均息息相關(guān).Jakus等[65]采用擠出式3D打印制備含有90%HA和10%PCL或PLGA的彈性人工骨,彈性應(yīng)變達(dá)32%～67%,彈性模量4～11 MPa可調(diào);植入老鼠體內(nèi)35天后的生物相容性良好,8周內(nèi)新骨生成,體內(nèi)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有顯示負(fù)面的免疫反應(yīng),血管生成并與周圍組織很好地結(jié)合.Tumbleston等[66]在Science發(fā)表封面文章,介紹了一種革命性的3D打印技術(shù)——連續(xù)液面生產(chǎn)技術(shù),這項(xiàng)技術(shù)成千倍地提高了傳統(tǒng)3D打印的速度和精度,因而對(duì)復(fù)雜且細(xì)節(jié)豐富的組織修復(fù)支架的打印具有巨大的優(yōu)勢(shì).

2.4.2軟骨修復(fù)

軟骨組織的自我再生和愈合能力有限,結(jié)合支架材料、干細(xì)胞和相關(guān)因子的組織工程技術(shù)是目前最具潛力的軟骨缺損修復(fù)手段[67].Lee等[68]通過(guò)混合打印技術(shù),以PEG作為支撐材料,能夠打印具有復(fù)雜外形的軟骨修復(fù)支架特殊結(jié)構(gòu),如碗狀、倒金字塔狀等,因而可直接用于耳朵、鼻子等軟骨組成器官的修復(fù).另外,軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞同時(shí)與材料進(jìn)行打印后,體外培養(yǎng)顯示出良好的存活率以及成軟骨和成脂肪性能.

用于打印軟骨修復(fù)支架的生物材料目前常為海藻酸鹽、殼聚糖、透明質(zhì)酸等生物相容的水凝膠[69-70],但是水凝膠材料缺乏較高的機(jī)械強(qiáng)度,真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用具有一定的困難.Hutmacher等[59]結(jié)合熔體靜電紡絲和3D打印技術(shù),制備出了超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的蛋白聚糖水凝膠,具有與人類膝關(guān)節(jié)軟骨類似的強(qiáng)度和韌性.這種增強(qiáng)水凝膠可以很好地支持人類軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和軟骨三維組織的形成,因而有望用于乳房組織和心臟瓣膜組織的重建.Hung等[72]合成了水溶性PU彈性納米粒子并與透明質(zhì)酸混合打印多孔支架,而且還可在支架打印過(guò)程中添加生物活性分子或替代小分子藥物.該支架可實(shí)現(xiàn)活性分子的持續(xù)可控釋放,誘導(dǎo)MSCs細(xì)胞向成軟骨方向分化并抑制新生軟骨過(guò)度生長(zhǎng),能有效地修復(fù)兔子關(guān)節(jié)軟骨缺損.

2.4.3神經(jīng)修復(fù)

運(yùn)用組織工程手段進(jìn)行神經(jīng)再生的過(guò)程中,仿生支架的結(jié)構(gòu)和組成可構(gòu)建出具有不同動(dòng)態(tài)功能的細(xì)胞微環(huán)境,從而影響到體內(nèi)神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)的命運(yùn)[73].通過(guò)3D打印技術(shù)靈活打印不同結(jié)構(gòu)支架,可模擬細(xì)胞外基質(zhì)并滿足神經(jīng)再生和修復(fù)的支架結(jié)構(gòu)要求[73].Wüst等[74]通過(guò)不同3D打印路徑在長(zhǎng)方體支架中分別構(gòu)造出了L,T,S,U和X形通道,系統(tǒng)研究了各種通道曲線上的材料聚集情況、神經(jīng)干細(xì)胞在不同形狀的凹槽和通道內(nèi)具有的遷移、增殖和分化特性,為闡明神經(jīng)修復(fù)機(jī)制提供技術(shù)基礎(chǔ).Wong等[75]研究了支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)大腦皮質(zhì)損傷修復(fù)的影響,如圖3所示.以聚己內(nèi)酯為材料,3D打印了內(nèi)部含有縱向微溝單向通道及水平與垂直方向正交叉通道的圓柱體支架(圖3(a)～(i)).結(jié)果表明,兩種支架分別植入大鼠的大腦皮質(zhì)缺損部位,如圖3(j)中4周后組織再生情況和圖3(k)中蘇木精-伊紅染色照片顯示,正交叉形支架中向內(nèi)生長(zhǎng)的組織總量與星形細(xì)胞的滲透率均明顯增高.

圖3 3D打印含內(nèi)部通道支架用于大腦皮質(zhì)損傷修復(fù)[75]Fig.3 Scaffolds with channels and microgrooves manufactured by 3D printing technique for brain cortex regeneration

另外,3D打印定制硅膠導(dǎo)板可應(yīng)用于幫助受損的復(fù)雜神經(jīng)再生其感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)功能.通過(guò)3D打印設(shè)計(jì)定制導(dǎo)板,賦予導(dǎo)板物理和化學(xué)誘導(dǎo)因素(包括溝槽設(shè)計(jì)和生物化學(xué)組份的添加),已成功應(yīng)用于老鼠的坐骨神經(jīng)結(jié)構(gòu)缺損修復(fù),促進(jìn)了其運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)神經(jīng)的再生[76].

2.4.4心血管修復(fù)

3D打印技術(shù)在心血管研究和應(yīng)用方面具有重要價(jià)值.目前在組織工程心肌、組織工程心臟瓣膜、組織工程大血管及血管網(wǎng)的構(gòu)建上都已有突破性進(jìn)展,3D打印方案也逐漸完善,其應(yīng)用已從實(shí)驗(yàn)室研究走向臨床應(yīng)用.

心肌組織:Petrochenko等[77]采用激光燒結(jié)3D打印技術(shù),使用生物可降解脲烷和丙酸鹽基材料打印出心肌組織材料,材料表現(xiàn)出良好的可塑性、彈性及生物活性,有利于骨髓干細(xì)胞生長(zhǎng).Pati等[78]采用液滴材料,3D打印出質(zhì)地與大腦脂肪類似的網(wǎng)狀細(xì)胞外基質(zhì),打印的液滴大小約與5個(gè)心肌細(xì)胞相當(dāng),因此打印出的組織結(jié)構(gòu)整體性和精細(xì)度大大提高.

血管:構(gòu)建大血管與毛細(xì)血管也是組織工程中的重要方面[79].大血管可提供管腔結(jié)構(gòu),血液通過(guò)官腔結(jié)構(gòu)運(yùn)輸至靶器官[80].毛細(xì)血管的構(gòu)建能改善血液微循環(huán),更好地實(shí)現(xiàn)血細(xì)胞的功能[81].Lee等[80]以水凝膠、膠原和臍帶靜脈血內(nèi)皮細(xì)胞為材料,3D打印出直徑為1 mm、長(zhǎng)5 mm、具有血管動(dòng)力學(xué)特性和功能的微血管床模型.研究結(jié)果表明臍帶靜脈血內(nèi)皮細(xì)胞可自然生長(zhǎng)和增殖,并形成血管分支結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)小血管微循環(huán)、靶器官的血液供應(yīng)等功能.Miller等[82]利用可去除的糖玻璃為原料進(jìn)行3D打印纖維網(wǎng)絡(luò)支架,可用于進(jìn)行血管內(nèi)皮細(xì)胞的灌注以形成血管網(wǎng)絡(luò),如圖4所示.由圖4(a)和(b)可見,3D打印的糖玻璃纖維支架具有可控的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),各打印纖維相交處易融合形成連通交聯(lián).圖4(c)和(d)顯示了活細(xì)胞灌注至纖維支架中之后的發(fā)展情況,紅色表示沿空管腔分布的血管內(nèi)細(xì)胞,綠色表示支架網(wǎng)格之間灌注的成纖維細(xì)胞.Zhao等[83]以3D打印技術(shù)構(gòu)建具有內(nèi)連接通道的生物降解聚合物骨架結(jié)構(gòu),再將脂肪干細(xì)胞引入骨架結(jié)構(gòu),誘導(dǎo)脂肪干細(xì)胞分化成為內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞,從而形成血管.

圖4 3D打印的糖玻璃支架用于血管內(nèi)皮細(xì)胞灌注成型三維組織[82]Fig.4 3D printed vascular networks for endothelialization and perfusable engineered extravascular tissues

多樣化心臟瓣膜:Lueders等[84]以心臟半月瓣為模型研究了其在3D打印中的熱力學(xué)、材料學(xué)特性及移植細(xì)胞的功能,發(fā)現(xiàn)3D打印構(gòu)建心臟瓣膜的主要影響因素取決于瓣膜骨架材料和種子細(xì)胞種類.其中,瓣膜骨架材料的韌性、耐久度等達(dá)到長(zhǎng)期的心臟瓣膜活動(dòng)時(shí)具備的功能結(jié)構(gòu).因此,與3D打印血管結(jié)構(gòu)相比,心臟瓣膜的3D打印在材料和打印方式上均有較高要求.

2.5個(gè)性化藥物緩釋裝置

為克服傳統(tǒng)藥劑效率低下、副作用大、作用時(shí)間短等缺陷,緩釋型給藥系統(tǒng)近年來(lái)受到廣泛關(guān)注.緩釋藥物系統(tǒng)指的是通過(guò)一定方法控制藥物釋放的時(shí)間、速度和位置,改善藥物在體內(nèi)的釋放、吸收和分布代謝的過(guò)程,從而達(dá)到延長(zhǎng)藥物作用、減少藥物不良反應(yīng)的一類藥劑[85].美國(guó)麻省理工學(xué)院基于3D打印技術(shù),提出了一種層層鋪粉、噴墨粘結(jié)的3D打印藥片制劑的方法獲得可控緩釋藥物的系統(tǒng)[86].由于3D打印成形的高度靈活性,噴墨過(guò)程及參數(shù)可以隨意控制,不同組成和類型的材料可以通過(guò)不同噴頭打印,因此可以很容易地控制局部材料組成、微觀結(jié)構(gòu)和表面特性,從而精確控制藥物釋放行為.目前常見的3D打印緩釋藥片有多層片、多腔室、核殼結(jié)構(gòu)、包裹結(jié)構(gòu)等類型[87-88],藥劑偏差量小于1%[89].

植入式的藥物緩釋系統(tǒng)進(jìn)一步改善單純口服緩釋片劑不能靶向給藥的缺點(diǎn),能做到通過(guò)手術(shù)植入或注射等手段直接導(dǎo)入病灶部位,從而實(shí)現(xiàn)定位給藥,植入局部藥物濃度高,而進(jìn)入血液的藥物濃度低,減少用藥次數(shù)和用藥量.目前,3D打印可降解材料制作植入式藥物制劑是主要方向.Huang等[90]采用聚乳酸3D打印了慶大霉素的植入式藥劑,聚乳酸的不斷降解使包藏的藥物得以逐步完全釋放.與傳統(tǒng)的溶劑澆注壓制法相比,3D打印制劑的初始爆發(fā)釋放量低,緩釋過(guò)程中維持釋放濃度更平穩(wěn).Wu等[91]3D打印了具有多層結(jié)構(gòu)的載藥聚乳酸植入式支架,植入家兔體內(nèi)的藥物釋放研究表明,各層結(jié)構(gòu)中的藥物可以分階段控制釋放,極大地避免了全身用藥導(dǎo)致的毒性.朱鈺方研究團(tuán)隊(duì)[23,92-94]通過(guò)材料表面化學(xué)改性,利用3D打印有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合支架,在實(shí)現(xiàn)骨修復(fù)支架構(gòu)建的同時(shí),獲得了抗生素、DNA、地塞米松、DMOG、阿霉素等多類型多尺寸藥物分子的局部緩釋和控制釋放.

2.6腫瘤治療

3D打印技術(shù)目前對(duì)腫瘤診斷和治療的意義主要在于體外腫瘤三維模型的構(gòu)建.早在2003年,Cho等報(bào)道,乳腺癌細(xì)胞在3D環(huán)境中通過(guò)合適的誘導(dǎo)因子添加可恢復(fù)到良性細(xì)胞的狀態(tài),而這是在2D平面培養(yǎng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的[95].因此,構(gòu)建3D體外腫瘤模型對(duì)于腫瘤診療的研究具有重要的意義.Zhao等[96]運(yùn)用自主開發(fā)的細(xì)胞3D打印技術(shù),在世界上首次構(gòu)建出由明膠、藻酸鹽和纖維素組成的Hela細(xì)胞的體外三維腫瘤模型.與2D培養(yǎng)相比,3D模型具有與腫瘤生理環(huán)境更相似的特征,腫瘤細(xì)胞在其中表現(xiàn)出較高的擴(kuò)散效率,更高的蛋白表達(dá)和對(duì)抗腫瘤藥物更好的抗性,從而便于研究腫瘤的發(fā)展、侵襲、轉(zhuǎn)移和治療.Huang等[97]采用3D打印技術(shù)制備了仿生支架,深入研究了良性細(xì)胞和不同腫瘤細(xì)胞在支架中的遷移情況,并通過(guò)打印不同粗細(xì)的血管網(wǎng)絡(luò)研究腫瘤細(xì)胞在抗癌轉(zhuǎn)移藥物作用下的運(yùn)動(dòng)行為和分布.

另外,眾多研究人員開始采用3D打印技術(shù)精確設(shè)計(jì)仿生組織藥物病理作用模型,可以使人們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)大規(guī)模高通量篩選新型高效藥物[24],更重要的是,3D打印的病理模型具有極高的可重復(fù)性,對(duì)新型藥物或者藥物輸送系統(tǒng)的篩選測(cè)試也就具有了可靠性.近來(lái),Gou等通過(guò)3D打印設(shè)計(jì)了一款肝組織結(jié)構(gòu)藥物解毒模型,受到全世界關(guān)注[98].

3 結(jié)束語(yǔ)

生物材料3D打印具有個(gè)性化、精準(zhǔn)化生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,越來(lái)越受到重視.目前,生物材料3D打印研究已經(jīng)在醫(yī)療與手術(shù)設(shè)計(jì)模型、手術(shù)導(dǎo)板、體外醫(yī)療器械,及非降解永久植入物等方面取得重要進(jìn)展,并已經(jīng)開展臨床應(yīng)用.但是,生物材料3D打印更為優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用,應(yīng)該向可降解組織工程支架、3D打印體外仿生三維生物結(jié)構(gòu)體、器官及器官再生等領(lǐng)域發(fā)展.個(gè)性化可降解的組織工程支架將為包括骨/軟骨組織、皮膚組織等修復(fù)提供新的途徑;生物3D打印體外仿生生物結(jié)構(gòu)體的研發(fā)對(duì)短時(shí)間大規(guī)模高通量的新藥篩選具有重大價(jià)值;生物3D打印器官再生如能實(shí)現(xiàn),對(duì)器官移植具有深遠(yuǎn)意義.另外,由于3D打印機(jī)的局限,目前合適的3D打印生物材料有限,質(zhì)量也有待于進(jìn)一步提高.因此,3D打印生物材料問(wèn)題的解決才能助力生物材料3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用,從而造福人類.

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Progressofthe3DPrintingTechnologyforBiomaterials

ZHU Min,HUANGTing,DUXiaoyu,ZHUYufang

(SchoolofMaterialsandEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

In biomedical fields,the 3D printing of either biomaterials or living cells is capable to construct complex 3D bio-structures,such as customized implants,engineered bone grafts,ex vivo 3D cellular aggregates and artificial organs,etc.Therefore,considering its remarkable superiorities over the individual fabrication and complex structure building,the paper affords a meaningful review of the basis technological process,application areas and developments of 3D bio-printing.The discussions based on the 3D printing of biomaterials were then presented according to current research hotspots,including the two strategies of inkjet printing and dispensing printing techniques.Its applications in manufacturing medical models,devices and implants with biomaterials were focused.In addition,tissue engineering scaffolds and three-dimensional cell aggregates fabricated via 3D bio-printing were summarized.The outlooks about the future 3D bio-printing technique were put forward.

biomaterial; 3Dprinting;biomedicalapplications;progress

1007-6735(2017)05-0473-11

10.13255/j.cnki.jusst.2017.05.011

2017-05-05

上海理工大學(xué)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(2016KJFZ011,2017KJFZ010)

朱 敏(1985-),女,副研究員.研究方向:生物材料.E-mail:mzhu@usst.edu.cn

朱鈺方(1976-),男,教授.研究方向:生物材料.E-mail:yfzhu@usst.edu.cn

TP391.7;R318.1

A

(編輯:丁紅藝)