3D 打印復合材料骨組織工程支架及其在頜面骨再生中的研究進展

陳藝菲，鄭賽男，闕林

1 四川大學華西口腔醫(yī)學院，成都 610041；2 成都大學基礎醫(yī)學院；3 四川大學華西口腔醫(yī)院頭頸腫瘤外科

頜面創(chuàng)傷、頜面腫瘤切除術及頜面腫瘤放化療往往會造成頜面部不同程度骨缺損，嚴重影響患者言語和咀嚼功能、顏面美觀以及心理健康［1］。因此，頜面骨缺損修復重建對提高患者生活質量具有重要意義。3D 打印技術通過計算機輔助設計，利用生物材料與細胞、生物活性因子結合打印缺損組織，能夠快速、精確地復制和重建缺損組織或器官［2］，在再生醫(yī)學領域中具有廣闊的應用前景。隨著生物醫(yī)學工程不斷發(fā)展，3D 打印技術逐漸被用于骨組織修復重建中，并成為一種新的頜面骨缺損修復重建方法。在3D 打印骨組織工程支架中，打印耗材尤為重要，利用單一材料打印的骨組織工程支架在性能上往往存在局限性，而由多種材料組成的復合材料能夠充分發(fā)揮材料間的互補作用，逐漸成為骨組織工程支架的首選打印耗材［3］。本文結合文獻就3D 打印復合材料骨組織工程支架及其在頜面骨再生中的研究進展作一綜述。

1 3D打印復合材料骨組織工程支架概述

骨組織工程是以成骨細胞、骨髓基質干細胞或軟骨細胞等為種子細胞，經(jīng)體外培養(yǎng)擴增后，種植于具有良好生物相容性、生物可降解性的骨組織工程支架上，骨組織工程支架承擔細胞外基質作用，從而為骨再生提供良好的環(huán)境［4］。理想的骨組織工程支架應具備以下特征［4］：①有利于種子細胞附著、生長和分化，具有良好的生物相容性，并且不會對周圍組織產生有害影響；②有利于血管重建，能夠通過骨傳導、骨誘導與宿主骨整合，可修復不規(guī)則形狀缺損并承受機械載荷，并且具有生物降解潛力，能夠逐漸被新生骨所取代；③可儲存和消毒。隨著科學技術不斷進步，3D 打印逐步用于骨組織工程支架制作，不僅簡化了骨組織工程支架的設計流程，還提高了骨組織工程支架的制造效率和精確度。然而，可用于3D 打印的單一材料很難制備出理想的骨組織工程支架。如羥基磷灰石（HA）、磷酸三鈣（TCP）、磷酸鎂（MgP）、生物玻璃（BG）等生物陶瓷材料，雖然生物相容性較好，但脆性較大，力學性能較差［5］；聚乙烯醇、聚乙二醇等人工合成聚合材料及金屬氧化物、合金等金屬材料，雖然具有良好的機械性能和可打印性能，但其生物相容性相對較差［6-7］。由兩種及以上材料組成的復合材料，如不同種類生物陶瓷、不同種類聚合材料、金屬與生物陶瓷、聚合材料與生物陶瓷等，綜合了各種材料的優(yōu)點，取長補短，解決了單一材料的性能局限，用于3D打印有利于細胞定植和血管生長，并且具有良好的生物力學性能，能更大程度地滿足骨組織工程支架需求。

2 3D打印復合材料骨組織工程支架類型

2.1 3D打印不同種類生物陶瓷骨組織工程支架 生物陶瓷具有良好的骨傳導能力，是構建骨組織工程支架最常用的材料之一，不同生物陶瓷組成的復合材料能夠協(xié)同促進骨再生。LI 等［8］將納米HA（nHA）或脫蛋白牛骨與膠原蛋白混合，制備了兩種用于3D 打印的生物墨水，這兩種HA 復合材料能夠促進人骨髓基質細胞增殖和分化，是很有前途的3D打印骨組織工程支架的候選材料。含HA 和TCP 不同比例的雙相磷酸鈣（BCP）具有出色的骨重塑能力。有研究通過碳酸鈣、TCP 與磷酸反應生成了一種復雜形狀的BCP 支架，該支架的尺寸精度達到96.5%，最小宏觀孔徑為300 μm［9］。體外研究表明，與純TCP支架比較，BCP支架均具有細胞相容性，能夠增強細胞活力和增殖能力［9］。由多種生物陶瓷組成的骨組織工程支架除了能協(xié)同增強骨再生能力外，在機械性能上也有所突破。AN等［10］在研究二氧化鋯-HA 復合材料時發(fā)現(xiàn)，當材料中二氧化鋯的質量百分比從50%增加到100%時，該復合材料支架的抗壓強度從2.5 MPa 增加至13.8 MPa，或能成為3D打印骨組織工程支架材料。

2.2 3D打印不同種類聚合材料骨組織工程支架 聚合材料能夠提供合適的孔徑和孔隙率及機械性能的骨組織工程支架，但基于人工合成聚合材料的生物活性較低［6］，結合天然和合成聚合材料則具備良好的生物相容性，相對更適合骨組織工程支架構建。MORRIS 等［11］利用天然材料殼聚糖和人工合成聚乙二醇雙丙烯酸酯制備了一種生物相容性樹脂，其制備的骨組織工程支架孔隙相互連接，均質，標稱孔徑為50 μm，彈性模量為400 kPa；這種生物相容性樹脂的可印刷性通過打印一個耳朵的閾值MR 圖像得到證實，能夠提供最真實的形狀再現(xiàn)，可用于各種復雜組織結構再塑。張彬等［12］利用冷凍干燥和理化交聯(lián)技術制備復合脫細胞軟骨細胞外基質（DACECM）定向支架，然后將DACECM 漿料與PLGA 復合制備PLGA/DACECM 取向支架；結果發(fā)現(xiàn)，PLGA 支架表面光滑，孔洞大；DACECM 定向支架表面粗糙，為孔隙疏松、相互連接的三維結構；PLGA/DACECM 取向支架表面粗糙，大孔和小孔相互連接，構成一個垂直的三維結構，相較于兩種單一材料支架更有利于細胞生長定植和成骨分化。PLGA/DACECM 取向支架無細胞毒性，能夠保障細胞存活率，具有良好的理化性能和生物相容性，有望成為一種非常有前途的骨組織工程支架材料。

2.3 3D 打印金屬與生物陶瓷復合材料骨組織工程支架 生物陶瓷雖然具有良好的生物相容性，但單一組分的生物陶瓷脆性較高［5］，通過摻雜強度較高的金屬則能在一定程度上提高支架承受載荷的能力［7］。TARAFDER 等［13］在TCP支架中加入了氧化鍶和氧化鎂進行3D打印和微波燒結，構建了具有多尺度孔隙和良好壓縮強度的復合支架，在加速成骨過程同時能夠維持其機械性能。除了能提高骨組織的抗壓能力外，一些金屬與生物陶瓷組成的復合材料還能在促進成骨同時發(fā)揮其他有益的生物學效應。DANG 等［14］將3D 打印技術與溶熱法結合制備了CuFeSe2納米晶體功能化支架，并且賦予了BG 支架優(yōu)異的光熱性能。BG-CuFeSe2支架不僅可促進兔骨髓基質細胞成骨基因表達，刺激骨缺損中新骨形成，還能在體外有效燒蝕骨腫瘤Saos-2細胞并在體內顯著抑制骨腫瘤生長。結果提示，BG-CuFeSe2支架或許可用于骨腫瘤切除術后骨缺損修復。

2.4 3D 打印聚合材料與生物陶瓷復合材料骨組織工程支架 聚合材料與生物陶瓷構成的復合材料綜合了二者優(yōu)點，具有高度模擬骨基質潛能，被廣泛用于3D 打印骨組織工程支架［15］。SEIDENSTUECKER等［16］研究發(fā)現(xiàn)，復合BG和β-TCP粉末的結合可增加3D 打印骨組織工程支架的孔隙率，在促進細胞定植及其增殖、分化的同時增加其骨傳導效果。BIAN等［17］引入了3D 打印技術中的立體光刻法來制備骨軟骨-TCP/膠原支架，這種仿生支架是由陶瓷立體蝕刻、凝膠澆注和Ⅰ型膠原蛋白構成，其孔徑為700～900 μm、孔隙率為50%～65%、抗壓強度為12 MPa；與傳統(tǒng)技術相比，陶瓷立體蝕刻在獲得骨組織工程應用的理想支架方面表現(xiàn)良好。ZHANG等［18］采用3D打印制備了孔徑為500 μm、孔隙率為60%的聚乳酸/羥基磷灰石（PLA/HA）復合材料支架，該復合材料支架具有良好的生物相容性，可促進骨髓間充質干細胞（BMSCs）增殖和向成骨細胞分化。SINGH 等［19］通過一個溫度控制的3D打印技術，設計了一個由生物復合材料明膠/TCP/絲素蛋白組成的復合支架，該復合支架與明膠相比有更高的細胞增殖率和更強的機械性能。由此可見，3D打印不同種類聚合材料與生物陶瓷組成的復合材料骨組織工程支架，其骨形成能力和機械性能潛力更大，具有更廣闊的研究前景。

3 3D 打印復合材料骨組織工程支架在頜面骨再生中的應用

近年來，利用3D打印復合材料構建頜面骨并成功實施體內外的研究層出不窮。LIN 等［20］采用熔融沉積成型3D 打印技術制備了含不同比例聚己內酯（PCL）和MgP 的頜面骨組織工程支架，并用于兔頜面骨缺損模型，結果發(fā)現(xiàn)在MgP含量為20%的PCL/MgP 支架中細胞附著更多、更均勻，細胞增殖率更高，ALP活性更強，證實該支架具有較強的成骨誘導分化能力，在體內修復兔頜面骨8周后，支架周圍有大量新骨形成，在修復兔頜面骨缺損效果方面顯著優(yōu)于PCL 支架和其他濃度MgP 支架。XU 等［21］利用3D 打印技術制備了納米硅酸鹽功能化聚己內酯（PCL/LAP）支架，結果發(fā)現(xiàn)PCL/LAP 具有良好的生物相容性，并能顯著提高BMSCs 活性和增殖能力，植入顱骨缺損小鼠12周后，PCL/LAP支架區(qū)域可見明顯的新骨形成，并且這種復合材料的生物安全性較高，可作為口腔頜面骨缺損修復重建的一種骨代替物。HALLMAN 等［22］制備了的PLGA/HA/β-TCP（PHT）復合支架，該復合支架能夠與牙槽骨缺損區(qū)和牙體種植所需的鈦螺釘完美匹配，楊氏模量為（67.18±7.40）MPa，壓縮應力為（4.85±0.39）MPa，力學性能良好；同時，該復合支架還表現(xiàn)出優(yōu)異的體外細胞生物相容性和適當?shù)捏w內骨傳導性，為牙槽骨缺損修復提供了一種新的策略。由此可見，3D 打印復合材料在頜面骨缺損修復重建中具有較高的應用價值。但目前3D 打印頜面骨組織工程支架的復合材料種類較少且大部分復合材料缺乏臨床試驗。因此，用于修復頜面骨缺損的3D打印復合材料骨組織工程支架仍需進一步探索。

4 3D 打印復合材料骨組織工程支架在骨再生中的發(fā)展前景

3D 打印復合材料骨組織工程支架在骨再生中的發(fā)展前景十分廣闊，但目前尚處于對復合材料的組成以及支架上裝載細胞種類的探索之中。

4.1 對復合材料組成的探索 HA/脫鈣骨基質復合支架為骨再生和血管浸潤提供了有利環(huán)境［22］。納米氧化鋅作為骨修復植入材料的新型涂層，將大大降低術后感染的發(fā)生率，未來在骨組織工程支架材料方面將會有廣闊的應用前景［23］。在3D打印復合材料支架上添加磷酸鈣涂層能夠顯著改善骨性宿主組織與牙種植體表面的界面結合［24］，在頜骨、牙槽骨重建及后續(xù)牙齒種植修復中具有潛在的應用前景。骨涎蛋白涂層至復合材料多孔支架用于促進成骨細胞生長和牙種植體表面的骨整合，對于修復聯(lián)合牙齒、牙列缺失的頜面骨組織缺損具有較高的應用價值［25］。有研究以負載碳酸鈣活性填料的預陶瓷樹脂制備的3D打印錐形支架，在骨組織工程中具有廣闊的應用前景［26］。DANG等［14］將半導體CuFeSe2納米晶體的光熱性能與生物活性玻璃支架的成骨活性結合起來，制備出具有骨腫瘤治療和骨再生雙重功能的新型生物材料，該生物材料在骨腫瘤中的應用前景廣闊。

4.2 對支架上裝載細胞種類的探索 除了常用的BMSCs 外，骨組織工程支架中裝載的種子細胞種類也逐漸豐富。牙源性干細胞因其獲取便捷性和成骨分化潛能成為種子細胞的新選擇。裝載人牙周膜干細胞的nHA/殼聚糖/明膠三維多孔支架在豬頜骨缺損模型中展現(xiàn)出了良好的骨再生能力，為牙源性干細胞在修復大段頜骨缺損中的臨床應用提供了依據(jù)［27］。人羊膜間充質干細胞（hAMSCs）是一類兼具免疫調節(jié)、抗炎、血管再生等能力的種子細胞，裝載hAMSCs 的異種干細胞β-TCP 支架在大鼠顱骨缺損模型中無明顯免疫反應，具有啟動內源性血管化骨再生能力，同時還能加速牙種植體的骨整合。這類易于獲取的干細胞具有在修復頜面骨缺損的同時降低免疫反應、保障移植安全的潛能［28］。在組織學過程中，細胞荷載為細胞-支架復合物或重構組織移植物增強細胞功能，有利于形成細胞外基質和血管系統(tǒng)。在研發(fā)多孔復合材料的同時對荷載細胞種類進行探索，尋找易于獲取并具有不同輔助功能的荷載細胞，從而為骨再生提供更有利的條件。

總之，隨著3D打印復合材料骨組織工程支架的不斷探索，可用于構建骨組織工程支架的復合材料種類逐漸豐富，這些材料具有良好的生物相容性和機械性能，并能保持細胞活性和增殖能力，從而促進骨整合與骨再生，在頜面骨缺損修復重建中具有廣闊的應用前景。