骨組織4D生物打印:最先進(jìn)的新興技術(shù)

程子梁 ,吳偉山 ,王象鵬 ,尹紀(jì)光*

(1.山東中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院,山東 濟(jì)南 250000;2.山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院關(guān)節(jié)骨科,山東 濟(jì)南 250000)

3D生物打印是一種經(jīng)過(guò)3D生物打印機(jī)生成人體組織的技術(shù)[1]。4D生物打印在3D的基礎(chǔ)上增加了第4個(gè)維度——時(shí)間,其關(guān)鍵是記憶材料,例如形狀記憶聚乳酸四氧化三鐵聚合物(polylactide/magnetite,PLA/Fe3O4)復(fù)合材料、記憶水凝膠等。

骨組織4D生物打印[2-3]是一種新興的技術(shù),操作者可以通過(guò)軟件設(shè)定模型和時(shí)間,在這期間生物材料和細(xì)胞按照預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)構(gòu)建成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu),并且可以隨著時(shí)間的推移自行變形或運(yùn)動(dòng)。時(shí)變動(dòng)態(tài)4D打印模式打破了靜態(tài)3D打印產(chǎn)品的邊界。

1957年IsYasuda教授發(fā)現(xiàn)骨骼的壓電效應(yīng)能夠控制骨骼的電微環(huán)境來(lái)促進(jìn)骨骼愈合與骨重塑。4D打印生物壓電支架能提供可調(diào)控的電微環(huán)境,促進(jìn)骨再生,為下一代骨組織工程提供了變革性方法;其誘導(dǎo)骨修復(fù)的模式包括物理刺激、化學(xué)刺激、生物刺激[4]。Liu等[5]研發(fā)了一種聚乳酸納米纖維制成的壓電支架,首次在動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)地論證了壓電材料作為軟骨修復(fù)植入物的可行性。其靠運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電荷,增加胞外蛋白吸附、協(xié)助細(xì)胞遷移和招募,誘導(dǎo)細(xì)胞因子分泌,從而達(dá)到良好的軟骨修復(fù)效果。Ying等[6]通過(guò)熱致相分離和致孔浸入技術(shù)制備的納米纖維壓電支架。肝素修飾的納米纖維明膠支架在宏觀和微觀上都表現(xiàn)出高彈性和形狀記憶特性,用于兔鼻竇增大中的骨再生,取得了成功。記憶水凝膠是一類(lèi)具有高生物相容性的可降解的聚合物,已成為4D打印的常見(jiàn)活性材料。Fu團(tuán)隊(duì)[7]合成了一種“剛?cè)岵?jì)”的記憶水凝膠,將折疊彈性蛋白結(jié)構(gòu)復(fù)刻于水凝膠材料,通過(guò)打印生成記憶特性的凝膠軟骨,將其植入兔子模型后發(fā)現(xiàn)壓縮后即刻復(fù)原,體內(nèi)再生出的骨組織接近于現(xiàn)有軟骨,取得了極好的效果。由于其材料的可控變化性,只需要微創(chuàng)切口將其送到病變部位,便可達(dá)到目的。4D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步,有望成為解決骨折不愈合、骨缺損等問(wèn)題的新手段,很可能成為骨科醫(yī)學(xué)進(jìn)步的重要組成部分。