了解生物3D打印，從這篇文章開(kāi)始

魔猴君  行業(yè)資訊   2112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(guò)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(duì)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(lái)，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(shì)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(lái)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(duì)三維打印機(jī)的種類及成型原理進(jìn)行了簡(jiǎn)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(duì)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(lái)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)三維打印成型的水凝膠在擠出后能夠通過(guò)觸變行為、溫度感應(yīng)或者交聯(lián)等方式維持形狀。對(duì)于熔融沉積和直接打印來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)的沒(méi)有支撐的或者有尖銳突出部分的模型時(shí)有問(wèn)題。擠出的細(xì)絲沒(méi)有足夠的強(qiáng)度來(lái)立即支撐出自身，所以在沒(méi)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(wèn)題，有時(shí)在打印的過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(shù)脂能夠在打印的表面上流過(guò)，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(jí)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(jí)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(shù)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)程，這樣我們就得到了羥基磷灰石的聯(lián)接體。通過(guò)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(kāi)始有新骨生成，內(nèi)部也有類骨質(zhì)以及血管長(zhǎng)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(wú)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(guò)細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)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(tái)。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(zhǎng)達(dá)六個(gè)月，隨后在逐步降解，且副產(chǎn)物對(duì)人體無(wú)毒無(wú)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(wèn)題，研究者們將聚乳酸與生物陶瓷復(fù)合，來(lái)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(duì)打印過(guò)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(guò)選擇性激光燒結(jié)打印技術(shù)來(lái)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(lái)講，PPEK缺乏對(duì)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(guò)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(lái)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(wú)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(méi)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(guò)程?？梢园?xì)胞，輸送養(yǎng)分和分泌代謝物。
Andrea等測(cè)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(cè)試了對(duì)乙酰氨基酚(一種常見(jiàn)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(jiǎn)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(zhǎng)，并且對(duì)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(wèn)題需要解決。其中一個(gè)問(wèn)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(wèn)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(shì)，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(wú)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(duì)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(zhǎng)和承受載荷，但是這也導(dǎo)致了支架降解困難的問(wèn)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(lái)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(lái)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?cè)絹?lái)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(guò)程已經(jīng)由對(duì)超分子水凝膠漿料的研究就開(kāi)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(wèn)題。雖然前路道阻且長(zhǎng)，但三維打印在組織工程和醫(yī)藥領(lǐng)域終將大放異彩！

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)