基于3D生物打印技術制備生物醫用材料的研究進展

吳惠英

摘要： 3D生物打印技術以其特有的材料成型優勢，為病患提供了個性化、精準化構建生物醫用材料的有效途徑，在生物醫用領域表現出極大的應用潛力。文章使用不同于常規3D打印技術的3D生物打印技術，充分考慮成型后的支架材料需要滿足組織工程材料的性能要求。利用3D打印技術將生物材料、細胞及活性因子相結合構建支架材料，在結構和功能上實現了較好的結合，主要介紹了3D生物打印技術在生物醫用材料構建中的研究進展及其應用，該技術將在今后的生物醫用材料制備中發揮巨大作用。

關鍵詞： 3D生物打印;生物材料;生物相容性;個性化;支架構建;應用價值

中圖分類號： TS102.512 ? 文獻標志碼： A ? 文章編號： 1001-7003（2019）06-0038-08 ? 引用頁碼： 061107

Abstract： With its unique material molding advantages， 3D bioprinting technology provides an effective way for patients to construct biomedical materials in an individualized and precision way， showing great application potential in the biomedical fields. Different from conventional 3D printing technology， 3D bioprinting technology fully considered that the scaffold material after molding should meet the performance requirements of tissue engineering materials. Biomaterials， cells and active factors were combined to construct scaffold materials with 3D printing technology， and the scaffold materials well combined structure and function. This paper mainly introduced the research progress and application of 3D bioprinting technology in the construction of biomedical materials， which would play a huge role in the preparation of biomedical materials in the future.

Key words： 3D bioprinting; biomaterials; biocompatibility; individuation; scaffold constitution; application values

3D打印（3D printing）技術是指借助計算機通過層層堆積來形成三維實體的制造技術[1]，它突破傳統減材制造的原理，在不增加生產時間和成本的前提下能夠實現傳統技術無法制造的結構，全新開辟了數字設計空間，吸引了航空航天[2]、模具加工[3]、組織工程[4]等領域專家的目光，努力嘗試3D打印技術的全新應用。在過去的幾十年中，再生醫學領域在制造功能性組織替代品方面取得顯著進步，但制備精準且具有仿生特性的組織工程支架的能力仍表現出局限性。伴隨3D打印技術的發展與滲透，在生物醫用領域，目前已嘗試采用3D生物打?。?D bioprinting）技術制造人工骨骼、人工皮膚、人工腎臟等人體器官[5]。

3D生物打印技術是基于計算機三維模型，并通過離散-堆積的方法[6]，根據仿生形態、生物體的功能及細胞微環境等方面的要求，將生物材料或細胞打印出兼具復雜結構和功能的生物功能材料[7]。3D生物打印提供了前所未有的多功能性，可以共同傳遞細胞和生物材料，并精確控制其成分比例及空間分布精度，個性化和精準化是未來醫學的發展趨勢[8]。利用3D生物打印技術實現細節形狀、結構和目標組織結構的個性化再現將成為今后醫學的發展方向，3D生物打印技術也會在生命科學領域被廣泛應用。

本文簡述了3D生物打印技術在國內外生物醫用材料中的研究現狀，并對3D生物打印的不同方式及特點進行了歸納，分析了可以用于3D生物打印的生物醫用高分子材料及特性，最后介紹了3D生物打印技術在骨骼、矯形外科、皮膚、軟骨等生物醫用領域的應用。

1 3D生物打印技術在國內外的發展現狀

3D生物打印技術表現出低成本、快速并可以實現對患者進行特定復雜結構的按需設計和制造。2009年，韓國Kim等[9]使用微型SLA技術制備組織工程支架材料，并分析研究植入物的性能穩定性。2010年Oranovo公司利用3D生物打印技術首次打印人工動脈，進一步明晰了3D生物打印在生物醫用領域中組織構建的作用，后期也通過動物實驗證實3D生物打印用于器官移植的可行性[7]。英國Sawkins等[10]利用3D生物打印技術制備出力學性能穩定用于骨修復的支架材料，屈服應力達到1.22MPa。哈佛大學Kolesky等[11]利用3D生物打印技術制備具有異構細胞結構的人工血管。Lee等[12]制備出內徑只有1mm的水凝膠狀管道模型，Koch等[13]把混有細胞的膠原物質作為3D生物打印原料，探討其用于皮膚再生的研究價值。

中國每年都會有將近百萬因器官衰竭需要進行移植的病人[6]，但供體數量有限，與需求數量相差甚遠。3D生物打印技術提供了利用3D打印的方法構建人體所需器官，進行病損組織的替換，這為器官移植提供了非常大的空間[14]。在國內使用的大部分3D打印材料是國外進口，因此造成3D生物打印的成本更高，普及或是產業化推廣都面臨著一定的困難。清華大學徐弢等[15]將心肌細胞混入生物材料進行3D生物打印動物心臟，并發現細胞在構建體中能夠跳動，揭示構建的器官有一定功能性。Hsieh等[16]以溫敏生物材料中加入神經干細胞為原料，利用3D生物打印技術探討構建體在中樞神經修復應用的可行性。3D生物打印技術需要綜合考慮材料、細胞及影響細胞生長分化的因素，需要將生物材料學、細胞生物學、醫學等學科進行交叉運用，相信通過國內研發團隊的不斷深入，3D生物打印技術將會為生物醫用材料的研發發揮優勢作用。

2 3D生物打印技術分類及特點

3D生物打印技術不同于傳統工程學中所涉及到的3D打印，它在構建支架材料過程中把組織工程、再生醫學與3D打印有機結合，將影響支架材料活性的因素，如材料、細胞、生長因子都作為考慮因素[17-18]。3D生物打印從工作原理差異性上可以分成噴墨生物打?。↖nkjet bioprinting）、微擠壓成型生物打?。∕icroextrusion bioprinting）和激光輔助生物打印（Laser-assisted bioprinting）[19]等三種類型。

2.1 噴墨3D生物打印

噴墨3D生物打印是以液滴形式的生物材料作為打印原料，可升降式平臺取代紙張，通過升降平臺的控制來調節噴頭升降，依靠聲波或熱的作用使生物材料滴落，層層堆積形成三維的立體構造（圖1）[7]。目前學者們正朝高分辨率、高精確度含細胞液滴的3D生物打印努力，液滴體積1～300pL，噴射速度1～10000滴/s，能夠準確打印寬約50μm的圖形[20]。噴墨3D生物打印機打印墨水的擠出方式可以分為熱驅動、聲波驅動[21]，聲波驅動能夠有效控制液滴大小，更重要的是能夠防止熱或外界壓力等因素對噴墨生物材料性能的影響，同時還可以控制液滴的大小，但對材料的黏度有所限制;熱驅動主要是通過局部電加熱打印頭形成氣泡，通過壓力脈沖使液滴從噴嘴處脫離[22]，打印效率高、成本低，但由于熱和外力作用與生物材料易使其堵塞噴頭，出現液滴大小不勻等。目前噴墨3D生物打印對打印墨水的形式要求為液態，在一定程度上限制了應用，此外在打印過程中容易破壞細胞，因此，在工藝優化方面仍面臨巨大挑戰。

2.2 微擠壓成型生物打印

微擠壓成型生物打印是將熱熔性生物材料加熱熔融，生物材料首先被抽成絲，再將其送進熱熔噴頭，在噴頭內加熱呈熔融態，打印噴頭沿著截面輪廓及填充軌跡進行運動，并將黏流態的生物材料依據計算機分層數據的控制路徑，在指定位置處沉積與周圍材料粘連、凝固成形[19]。打印過程中生物材料由熔融態轉變為固態，其中含有的細胞等微粒很容易在這過程中失去活性，造成細胞的存活率較低。

2.3 激光輔助生物打印

激光輔助生物打印是在玻璃板吸收層上用激光聚焦脈沖產生一個高壓液泡，直接將包含細胞的生物材料推送到接收基材上面（圖2）[23]。由于打印噴頭是開放式的，因此避免了噴頭堵塞現象，細胞受到的損傷也相對較小，細胞的存活率大于95%，但如果以各類型細胞混合材料為打印原料難度較大，價格高昂，臨床應用受到影響[7]。

3 可作為生物墨水的生物醫用高分子材料

3D生物打印證實了生物材料的可印刷性，生物醫用高分子材料的研發應用為3D生物打印具有力學可調節性、可生物降解性且具有生物活性的生物支架材料提供了有利保障。3D生物打印的主要瓶頸之一仍是“生物墨水”缺乏多樣性，因此，研發可作為生物墨水的生物醫用高分子材料是推動3D生物打印技術不斷完善的重要環節。3D生物打印材料需要滿足可打印性、生物相容性、降解性、無毒性[24-25]，并能促進細胞的生長、分化與增殖且具有一定的機械性能[26]，3D生物打印可以將細胞與打印材料結合成水凝膠網絡結構[27]，實現對細胞保護和細胞增殖的構型。因此，用來作為生物墨水的生物醫用高分子材料的性能也很重要，它是用來裝載細胞為其提供與細胞外基質（ECM）相似的外部微環境。目前絲素蛋白、海藻酸鈉、聚乳酸、聚乙交酯、聚己內酯等材料是在3D生物打印領域應用較為廣泛的生物醫用高分子材料，在黏度和表面張力等方面都能夠滿足生物墨水的性能要求。

3.1 絲素蛋白材料

熊思[28]以絲素蛋白材料為主要原料，利用3D生物打印的方式制備具有生物活性的支架材料（3DG-SF）用于皮膚修復，并在絲素蛋白材料上復合磺酸根（SO3）及利于皮膚修復的細胞生長因子（FGF-2）共同構建多孔網格狀的三維支架。經過體外的細胞培養試驗及體內動物模型試驗證明，該結構在皮膚損傷修復過程中具有一定的治療作用，在皮膚再生領域將會有廣泛的應用前景[29]。

孫凱等[30-31]以絲素蛋白與和膠原蛋白作為打印材料，通過調配兩種材料的質量比例來進行3D生物打印。研究表明，充分利用3D生物打印技術的優勢，能夠控制支架材料的孔隙形狀、結構、孔隙率及力學性能，當絲素與膠原質量比為為4 ︰ 2時，軟骨組織支架材料的理化性及生物相容性最優，證明3D生物打印技術在軟骨組織支架材料的成形制備方面能夠發揮其優勢。

袁清獻等[32]提取再生絲素蛋白和II型膠原蛋白，并以質量比為7 ︰ 3的比例均勻混合作為打印原料，結合低溫3D生物打印和冷凍干燥兩種技術構建以絲素蛋白-II型膠原為原料的軟骨支架材料，通過對原料的混合比例、打印和擠出速度的調節可改變支架材料的力學性能、支架密度、孔隙率。研究表明，隨著材料的應變率的增加，彈性模量也增加，有利于細胞增殖速度的加快，相對支架內部來說，細胞在軟骨支架的表面黏附、生長、增殖較多，滿足軟骨支架材料的性能要求，為今后臨床應用提供研究基礎[33]。

3.2 聚乳酸（PLA）

聚乳酸（PLA）是一種新型的生物醫用高分子材料[34]，能夠通過水解的代謝方式在體內循環，對生物體不會產生不良影響，PLA表現出無毒、可生物降解、可誘導細胞生長、可降解和吸收等特點，但是PLA也存在強度不高、脆性大、耐熱性較差的不足，有關學者引入了協同增韌劑改善PLA的韌性和剛性，打印溫度調整到200～300℃時可用于打印，使其在3D生物打印過程中保證打印過程流暢，表面光潔度提高，尺寸穩定性得到明顯改善，被廣泛應用于組織再生和修復載體材料[35]。劉丹[36]研究了不同比例的羥基磷灰石（HA）/PLA，通過3D生物打印技術構建復合支架的可行性，研究表明，通過溶液共混調整HA、PLA的比例，能夠達到3D生物打印技術要求，調節支架材料的性能，實現口腔種植體的個性化設計。

3.3 聚乙交酯（PGA）

聚乙交酯（PGA）是一種可用于3D生物打印的可生物降解的新型生物醫用高分子材料，它在沒有特殊酶參與的情況下也可以體內降解，降解的最終產物是CO2和H2O。通過開環聚合、直接縮聚的方法來合成PGA，但這種高分子材料的降解速度和強度衰減較快，容易引發組織的不良反應。

3.4 聚己內酯（PCL）

聚己內酯（PCL）也是一種可生物降解的新型生物醫用高分子材料，PCL加熱后可以呈現出優異的黏彈性及流變性，適宜用作3D生物打印。它在生物體內性能較穩定，三年內不會出現有毒降解物[37]，因此也被用作支架材料，可以對打印成型的支架材料進行修飾，也可以直接在其主鏈的側鏈修飾。Ranjith等[24]以PCL為原料，通過模擬細胞特性，利用3D生物打印技術構建器官結構探討用于心血管疾病的3D生物打印的局限及未來。

3.5 聚醚醚酮（PEEK）

聚醚醚酮（PEEK）是一種較為常用的生物相容性較好3D打印材料或輔助材料[38]，具有較好的韌性、強度和射線可透性，以聚醚醚酮為原料制備的3D打印體熱穩定性良好[39]，但因其熔點高，加工過程相對復雜，通常以選擇性激光燒結法來進行3D打印。張鈺[40]掃描人體內踝骨，并將數據轉換3D建模，利用3D生物打印方式實現了針對患者病患處特定化設計的效果，獲得了內部是閉孔結構的脛骨假體。美國OPM公司用聚醚醚酮為原料，利用3D生物打印方式構建的假體成功替換了一名病人頭骨的75%[41]，成功證明了通過3D生物打印來構建假體的可行性。

3.6 生物陶瓷材料

早在18世紀初，生物陶瓷在醫學領域如牙科和整形外科等領域有所應用，具有一定抗壓強度及骨誘導性，但由于材料硬且脆造成加工困難而沒有得到普及。伴隨3D生物打印技術的成熟[41]，部分的生物陶瓷可以利用3D生物打印加工成型，在產品結構復雜度更高的同時，修復材料成型所需時間和成本都有不同程度的降低，但由于生物陶瓷脆性較大，目前還限于硬組織的修復應用。

4 3D生物打印在生物醫用領域的應用

利用3D生物打印技術打印支架，是先借助軟件或掃描數據對預組裝結構進行3D建模，再選擇混有細胞的3D生物打印材料，依據結構及材料特性進行成形參數的選擇，最后將成形的支架材料進行固化，再放進培養箱中培養，促進細胞在支架上的黏附、生長、增殖[42]。

4.1 骨 骼

骨骼是能夠支持、保護人體的重要組織，因疾病及外力因素易導致骨骼損傷，由于患者個體及損傷部位的差異，對于骨骼構建也需要個體化構造才能滿足差異化需要[43]。過去骨骼修復手術的難度較大，從修復材料的自體骨逐步轉變為人工骨，但人工骨除了容易出現排異性還無法實現個性化設計。隨著3D打印技術的推進，利用3D生物打印技術構建人工骨能夠縮短生產周期，省去傳統鑄模過程中模具的制備，且可以將可生物降解、生物相容性好的生物醫用材料用于打印人工骨（圖3）[10]，精確度提高，使個性化骨損傷修復治療成為可能[44]，同時降低由于材料植入導致的排異性對人體的傷害。Solaiman等[45]以磷酸三鈣等材料為原料，3D生物打印制備多孔支架，并檢測支架材料力學性質，研究表明該支架材料利于骨缺損的修復;He等[46]利用3D生物打印技術制備半膝關節及多孔人工骨，將兩者組裝為半膝關節的假體用于損傷關節的修復及功能恢復;Weinand等[47]利用3D生物打印技術精確制備人體的拇指骨骼;伍衛剛等[48-49]利用3D生物打印技術制備了一種可提供藥物緩釋和控釋特性的載藥人工骨，細胞在支架表面能黏附、生長、分化、增殖。

4.2 矯形外科

矯形外科主要涉及頜面骨缺損和面部（鼻、耳）微整形，對于精細度要求較高，頜面部在進行外科手術時需要對其血管、神經進行精準解剖，但由于其結構的復雜性，很難做到人體植入物與頜面部的結構精準吻合。3D生物技術的運用，可以將CT掃描、CAD重建等綜合運用，制備與頜面部完全一致的替代物，用時少且有效恢復頜骨的輪廓及功能，如圖4所示。Nickels[50]采用3D生物打印技術制備人工下頜骨，植入患者替換部位，術后外觀良好，并恢復了部分的發音和吞咽功能。周冰等[51]利用CAD/CAM軟件，3D生物打印制作鼻贗復體的模型結構，該模型具有較好的表面形態和外觀仿真效果，與患者自身缺損區的皮膚有較好的貼合，在一定程度上實現了個性化修復外鼻缺損。

4.3 皮 膚

3D生物打印技術能逐層構建具有多層狀的皮膚結構，Binder等[52]利用3D生物打印技術實現將細胞、生物材料和生物活性大分子置于特定目標位置，使用按需滴落的輸送機制來構造生物結構，他們精準打印人工皮膚用于小鼠傷口皮膚修復。Liu等[53]以明膠、海藻酸鈉為原料，利用3D生物打印技術制備具有網格結構的創面支架材料（圖5），分析在創面修復過程中傷口愈合情況，研究表明，細胞能夠在該支架表面生長，有助于傷口愈合及愈合質量。Hahn等[54]將人真皮細胞注入到凝膠中，利用3D生物打印技術將細胞黏附在暴露的凝膠的表面，從而控制打印材料的結構，使其與傷口皮膚貼合。

4.4 軟 骨

軟骨組織中沒有血管分布，細胞代謝活性低，損傷后的自修復能力不好，目前針對軟骨組織研究多數處于實驗探索。徐奕昊等[55]利用3D生物打印輔助制備鼻翼軟骨（圖6），并進行了體外細胞培養和裸鼠皮下支架植入實驗，研究表明文中制備的鼻翼軟骨的形態與人體鼻翼軟骨相似。袁清獻等[32]研究了關節軟骨的損傷修復，即以絲素蛋白和Ⅱ型膠原單位為原料，利用3D生物打印技術制備軟骨支架，檢測細胞在支架材料上的生長情況。

4.5 其 他

3D生物打印技術應用于人工血管研發也逐年增多，陳果等[56]將醫學影像、數字重構、3D生物打印技術綜合運用，第一次嘗試在體外構建血管模型并獲得成功（圖7），分析血管支架最優手術方案。在仿生心血管研發方面，3D生物打印技術能夠發揮其方便有效的優勢，Ranjith等[24]利用3D生物打印技術制備幾何形狀各異的器官結構，嘗試心血管研究和治療工作，但目前該技術仍在起步階段。Lueders等[57]結合病人的CT數據，采用3D生物打印技術構建心臟瓣膜支架材料，實現了個性化的快速制造。

5 結 論

3D生物打印技術在生物支架材料構建過程中要充分考慮到材料的生物相容性、可降解性、力學性等因素，還要將細胞在支架材料中的生長、黏附和增殖等問題考慮在內。基于3D生物打印技術制備生物醫用材料在個性化、精準化治療方面表現出了極大的優勢，這將為個性化治療提供可行性，但由于受到技術和材料的局限，目前該技術尚未得到規?；瘧谩Ｑ芯勘砻鬟@項技術將會受到越來越多的重視，對組織工程領域的研究探索將會產生巨大推動和突破。

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