3D打印復(fù)合PVA骨組織工程支架研究現(xiàn)狀

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·新疆維吾爾自治區(qū)口腔醫(yī)學(xué)研究所，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊（830054）

近年來，3D 打印復(fù)合多孔性骨支架［1］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)［2］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)［3］有光固化成型（stereo lithography appearance，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)［4］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［5］。

SLS 技術(shù)［4］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)［4］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［4］（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［6］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［7］，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［8］。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［9-10］。He等［11］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［12-14］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［15-17］，聚乳酸和聚羥基乙酸已經(jīng)通過美國(guó)FDA 的批準(zhǔn)，允許作為植入物。趙小琦等［12］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-hydroxylapatite，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［18］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［19］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［20］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［21］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［22］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［23］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［24］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［25］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［11］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［26］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。