3D打印技術在抗感染生物材料制作中的研究進展*

車柯達，陳 穎 綜述 雷玉潔 審校

(昆明醫科大學第三附屬醫院/云南省腫瘤醫院胸外科一病區，昆明 650118)

3D打印技術,又稱快速成型技術，指在計算機控制下，根據物體的計算機輔助設計(computer aided design,CAD)模型或計算機斷層掃描等數據，在精確的3D堆積下，按照“分層制造、逐層疊加”的基本原理，使用具有一定可塑性的材料，快速訂制各種復雜形狀物體的制造方法[1]。近十五年來3D打印技術飛速發展，各類材料均可以作為3D打印的原材料如：液態光敏樹脂、生物可降解水凝膠、熱縮性高分子、塑料、陶瓷、金屬粉末及細胞等[2]。

在臨床工作中通常需使用一類能對機體、器官和組織進行診治、修復、誘導再生或增進其特殊功能的特殊材料，被稱為醫用生物材料或生物材料。臨床常用的生物材料包括：體外循環管道、腫瘤外科修護代替材料、人工關節、各類引流管道、心臟瓣膜、合金材料、各種支架及植入設備等[3]。

目前臨床工作中所使用的生物材料大多采用傳統制造技術如：熱熔擠出成型法(hot melt extrusion,HME)、注塑法、模鑄法制造，其成品精度差、結構簡單，所使用材料較單一。3D打印技術由于其可快速精確制備各種復雜形狀的生物材料，并能對材料的微觀結構進行精確控制，以滿足不同患者的個性化需要，使得3D打印技術在組織工程應用中具有獨特的優勢[4-5]。目前組織工程學家正嘗試使用活體細胞為原材料使用3D打印制作可供移植的組織及器官如：血管、角膜、腎臟、唾液腺等[6-8]。

生物材料在植入或介入人體后，細菌易在其表面黏附、增殖并形成生物被膜(biofilm,BF)。由于BF的保護作用，膜內細菌很難被抗菌藥物殺滅，并會不斷繁殖和釋放出浮游細菌，造成反復感染或惡化，造成生物材料植入感染(biomaterial centered infection,BCI)[1,9-10]。BF是造成BCI難治的主要原因，一旦發生感染，多數情況下需被迫取出生物材料，或由于機體功能的需要不得不再次植入生物材料。

目前3D打印技術可將抗菌材料通過準確三維堆積成特定空間位置達到抗菌效果，或通過控制生物材料表面形貌以減少病原菌的黏附達到抗菌效果。本文就3D打印技術制作醫用生物材料與抗感染生物材料的現狀和前景進行介紹。

1 3D打印技術制備醫用生物材料的現況

3D打印制作醫用植入材料的常用方法為光固化成型(stereolithigraphy apparatus,SLA)、熔融沉積快速成型(fused deposition modeling,FDM)、選擇性激光熔化成型(selective laser melting,SLM)和三維噴印成型(3D printing and plotting processing，3DP)[11-13]。其主要使用材料包括：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS)、工程塑料、聚乳酸(poly lactic acid，PLA)、光敏樹脂和各類型金屬粉末。

目前可臨時植入人體或與皮膚黏膜短時間接觸的生物材料可通過3D打印技術制作，如假體、耳廓支架、助聽器、假肢等。其常用原材料為ABS-M30i、PC-ISO工程熱塑性塑料與MED系列剛性速成型光敏材料。HOLMES等[14]使用聚乳酸為材料，應用3D打印技術制作了心血管植入材料。

PLA是一種可降解的聚酯類高分子，具有良好的生物相容性[15]，可通過3D打印技術制作藥物緩釋載體、組織工程支架、骨折內固定材料等生物材料長期植入人體。

3D打印技術在生物醫用高分子材料的制備領域仍處于初始階段，現3D打印醫用生物材料的研究主要集中在原材料的選擇，主要包括材料的生物相容性、機械力學性質及細胞在植入材料內部的黏附生長和分化的機制，尤其是材料與細胞相互作用的機制，但使用3D打印技術制作具備抗感染能力的生物材料的相關報道較少。

2 3D打印制作生物材料的表面形貌與細菌黏附

大量體外研究證明生物材料的表面不同，黏附的細菌種類不同；同種材料采用不同方法制作而成的生物材料表面，同種細菌的附著量也不同[16-17]。這與材料表面形貌(如結構域)、拓撲結構(如表面粗糙度、平滑度)、疏水性及化學性質相關，同時也與細菌種類的自身特性(如有無鞭毛、分泌聚合物的多少及種類) 相關[18]。當生物材料植入人體后，細菌在生物材料上黏附并最終形成BF導致BCI是一個復雜的動態過程，與細菌、宿主及生物材料三者之間的相互作用密切相關。

細菌在生物材料上的黏附是形成BCI的關鍵。有研究表明，植入生物材料的表面粗糙度是影響細菌黏附的重要因素[19]。掃描電鏡研究證實，生物材料表面不平整的地方,如裂溝、刻痕、摩擦較大的區域是病原微生物最先聚集的部位，屬于細菌黏附的優勢部位，細菌黏附于這些部位后繁殖，最終形成BF。粗糙的表面可增加微生物的接觸面積，為細菌提供附著場所,并產生物理屏蔽效應，微生物一旦接觸粗糙的表面可以滯留很長時間。細菌定植在粗糙的材料表面后，可在短時間內形成細菌種類復雜、致病力強的細菌生物膜，導致反復感染及抗菌藥物耐藥。

目前臨床所使用的醫用生物材料大多都按照傳統的技術制造。傳統的生物材料制作技術，無論是機械加工或是用模鑄、鑄塑、HME等方法制造的生物材料表面，總會存在著具有較小間距和峰谷的微觀幾何形狀誤差，這種特性被稱為表面粗糙度。如HME雖然能以較低的成本制作大量生物材料，但制作過程容易產生流痕、熔接痕等造成材料表面粗糙度增大，HME制作的導管經過檢測厚度差異可達(0.100±0.025)mm。傳統生物材料制作技術且對材料表面粗糙度控制較差，導致其產品表面存在不平滑區域，這些區域為病原菌的早期黏附提供了良好的位點。

3D打印技術主要以ABS、工程塑料、PLA、光敏樹膠、合金材料等為基本材料，多采用SLA和FDM制作，其產品在CAD控制下可對生物材料的表面粗糙度及微觀結構進行精確控制。3D打印技術的精細度決定了其成品表面的粗糙度與機械性能，目前3D打印技術在其CAD空間制作模型中x、y、z空間位點的精確度：z軸層厚達16 μm，平面方向即x、y方向的精度最低可達600 dpi，部分研究使用的3D打印機精度甚至可達到納米級別，且可根據植入部位不同而具體調整精度，高精度3D打印技術對生物材料表面粗糙度的控制遠高于傳統生物材料制作技術，能最大程度保證制作的生物材料測評表面的相對平滑，減少細菌黏附的發生。但CARLEN等[20]研究發現玻璃離子和復合樹脂制作材料經拋光后表面極性發生改變,有利于蛋白結合和細菌黏附，對于不同材料而言，相對光滑的表面甚至可使細菌更易黏附。

GU等[21]使用3D打印技術制作的表面具有島狀突起排列形貌的生物材料，可通過減少細菌與生物材料表面接觸的面積來減少細菌黏附。PEREZ等[22]使用BCI常見菌種——表皮葡萄球菌RP62A、金黃色葡萄球菌ATCC25904與表面有間距400 nm、高度400 nm的島狀陣列突起的生物材料共培養，發現與表面光滑的生物材料相比，具備表面島狀陣列突起的生物材料表面細菌黏附較少，不易形成BF。CHUNG等[23]研究證明BRENNAN團隊開發出的表面具有規律波浪狀排列嵴突的海洋防污水材料，可在長達21 d的時間內抑制金黃色葡萄球菌BF的形成。若使用3D打印技術制作類似生物材料，可通過CAD設計使表面抗細菌黏附微圖案更加多樣，結構更復雜，產品的精度與制作速度更具優勢。臨床中病原菌大小不一，常見的植入感染致病菌——葡萄球菌大小約為0.8 μm，而目前市場主流可供醫用生物材料制作的3D打印機精度最高僅為16 μm，僅研究級使用的3D打印機可達到納米級別，目前使用3D打印技術制作表面間隙為納米級的小于臨床常見致病菌直徑以減少細菌與表面接觸面積的生物材料，需等待3D打印技術的進一步提高。研究在使用3D打印技術制作的16與60 μm層厚生物材料分別與表皮葡萄球菌共培養后，兩種不同層厚的材料表面BF形成情況無明顯差異，但按照60 μm層厚制作的生物材料表面BF更不易被洗脫劑洗脫。

通過CAD設計并使用3D打印技術制造的表面具有一定微圖案的生物材料，不會改變其表面化學成分及組織相容性，相關研究證實在生物材料表面加入一些微圖案，能夠使生物材料獲得一定抗菌能力，同時增強生物材料的組織相容性，獲得理想的組織修復效果。DALBY等[24]使用聚苯乙烯制作表面存在規律納米級點陣狀突起的生物材料與表面光滑的材料表面相比，細菌的黏附、遷移和分化能力更強，周圍組織的愈合也優于表面光滑的生物材料。研究證實與表面紋理雜亂的生物材料相比，表面紋理有序的材料組織相容性更佳，細菌更易黏附于其表面[10]。

3 3D打印制作攜帶抗菌成分的生物材料

在植入生物材料表面添加抗菌成分，可使得生物材料獲得一定抗菌能力，這是組織工程中常用的制作抗感染生物材料的方法之一。但使用傳統方法將抗菌成分添加至生物材料表面進行抗菌改性與3D打印技術相比，主要存在以下方面的劣勢：(1)在制造過程中對加入的抗菌成分進行精確空間分布的能力差；(2)難以避免抗菌物質的活性在加工過程不受高溫、氧化、稀釋等作用的影響；(3)難以控制抗菌成分的釋放時間和釋放濃度，難以獲得穩定的長期抗菌黏附效果。

PLA是一種可降解的聚酯類高分子，是3D打印所使用的原材料之一。由于其具有良好的生物相容性，降解產物無毒，降解速度可控，可攜帶抗菌成分，因此成為3D打印技術制作抗菌生物材料的理想載體。呋喃妥英(nitrofurantoin,NF)對革蘭陽性和陰性菌均有抑制能力，CERNOHORSKA等[25]研究表明NF對128株能形成BF的陽性葡萄球菌有殺滅作用，且NF熔點較高，能耐受200 ℃的高溫，加工過程中不易變性，是需要通過高溫塑形制造生物材料的理想抗菌成分。SANDLER等[26]按照5%的比例將NF添加入PLA中，使用3D打印技術制作成直徑為2.4 cm、厚3.0 mm的圓形薄片，同時采用傳統的HME制作同規格的薄片，并將NF鍍于薄片表面，分別與金黃色葡萄球菌ATCC2592共培養，檢測其表面生物膜形成情況。結果顯示3D打印制作的PLA-NF薄片表現出長效、穩定的抗菌能力，而HME制作的薄片抗菌能力隨著共培養時間延長而迅速降低。

LEE等[27-28]將磷酸鈣、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、利福平、二甲基亞砜按照不同比例混合制成的微流體使用3D打印技術植于生物材料表面，形成間距100 nm、高度100 nm點狀陣列微圖案，分別與表皮葡萄球菌株NJ9709和小鼠成骨細胞MC3T3混合培養。結果提示通過3D打印制作的微流體在生物材料表面能夠達到長期的抗菌效果，同時對小鼠成骨細胞MC3T3的黏附影響不大。DONG等[29]使用高分子聚乳酸交酯、納米羥基磷灰石為抗結核藥物載體，使用3D打印技術制作骨修復材料，與采用傳統方式將抗結核藥物覆蓋于鈦合金材料表面的生物材料相比，3D打印技術制作的骨修復材料獲得了更為持久穩定的抗菌效果。

將具備抗菌活性的成分添加到生物材料表面，無論采用傳統制作方法還是3D打印方法，由于新成分的添加必將改變材料表面的理化性質，導致生物材料的組織相容性發生變化，3D打印技術制作的抗感染生物材料較傳統方法制作的生物材料雖然能獲得較好的抗菌效果，但因可用3D打印制作生物材料的原材料較少，其組織相容性未達到長期植入人體標準，使用3D打印技術直接制造而不經過后期處理的成品尚不能直接作為長期植入材料使用，因此開發具備良好組織相容性的3D材料具有重要意義。

3D打印技術在生物醫用高分子材料的制備領域仍處于初始階段，隨著3D打印技術精度的提高與3D打印材料的開發利用，3D打印技術必將成為主流的生物材料制作方法。使用3D打印技術制作抗感染生物材料的前景廣闊，可為臨床防治BCI提供新思路。