生物材料與組織工程進(jìn)展

1、生物3D打印在生物材料與組織工程領(lǐng)域應(yīng)用一 3D打印技術(shù)目前應(yīng)用較多的3D 打印技術(shù)主要包括光固化立體印刷( SLA) 、熔融沉積成型( FDM) 、選擇性激光燒結(jié)( SLS) 和三維噴印( 3DP) 等1 光固化立體印刷光固化立體印刷技術(shù)( SLA) 使用的原料為液態(tài)光敏樹脂，也可在其中加入其他材料形成復(fù)合材料stereolithography目前常用于SLA 技術(shù)制備生物可降解支架材料的高分子原料包括光敏分子修飾的聚富馬酸二羥丙酯( PPF) 、聚( D，L-丙交酯) ( PLA) 、聚( -己內(nèi)酯) ( PCL) 、聚碳酸酯，以及蛋白質(zhì)、多糖等天然高分子韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)Cho 等以PPF

2、 為原料，通過利用SLA 技術(shù)制備的多孔支架SEM images of porous ( PLA-FA)3 gyroid structures built by SLA荷蘭屯特大學(xué)Grijpma 等以富馬酸封端的3 臂聚( D，L-丙交酯) ( ( PLA-FA)3) 為原料，N-乙烯基吡咯烷酮( NVP) 為稀釋劑和共聚單體，通過立體印刷技術(shù)制備了具有規(guī)整螺旋孔結(jié)構(gòu)的可降解組織工程支架。水凝膠是一種具有高水含量的親水性或雙親性聚合物三維網(wǎng)絡(luò) 由于水凝膠具有良好的生物相容性，以及與人體軟組織相似的力學(xué)性質(zhì)，因此被廣泛應(yīng)用于組織工程支架材料與藥物的可控釋放中美國(guó)康奈爾大學(xué)的Butcher 等以P

3、EG-DA / 藻酸鹽復(fù)合原料制備了主動(dòng)脈瓣水凝膠支架該水凝膠的彈性模量可在5. 3 74. 6kPa 范圍內(nèi)變化 制備較大的瓣膜可獲得更高的精確度 種植于水凝膠支架上的豬主動(dòng)脈瓣間質(zhì)細(xì)胞在培養(yǎng)21 天后具有接近100% 的存活率通過立體印刷技術(shù)，以甲基丙烯酸修飾的PLA-PEG-PLA 三嵌段共聚物為原料，可以制備出多孔或非多孔水凝膠，材料具有較窄的孔徑分布、良好的貫通性和力學(xué)性質(zhì) 所得的水凝膠能促進(jìn)人間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)Immunofluorescence images showing the biological functionality of the HUVEC seeded s

4、caffoldsThe presence of endothelial cell specific markers CD31水凝膠的力學(xué)性質(zhì)可以通過改變?cè)辖Y(jié)構(gòu)和高分子濃度來調(diào)節(jié) 材料孔結(jié)構(gòu)的貫通性能促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞( HUVEC) 的均一分布和分化，并能維持細(xì)胞的表型和生物功能2 熔融沉積成型熔融沉積成型( FDM) 是采用熱熔噴頭，使得熔融狀態(tài)的材料按計(jì)算機(jī)控制的路徑擠出、沉積，并凝固成型，經(jīng)過逐層沉積、凝固，最后除去支撐材料，得到所需的三維產(chǎn)品荷蘭烏特勒支藥學(xué)研究所Hennink 等使用芐基保護(hù)的羥甲基乙交酯( BMG) 與己內(nèi)酯( -CL) 共聚，然后再進(jìn)行芐基脫保護(hù)，獲得了羥甲基

5、乙交酯( HMG) 與-CL 的共聚物( PHMGCL) ，并通過纖維熔體沉積技術(shù)制備了3D 支架。荷蘭屯特大學(xué)的Woodfield 等以生物可降解的聚乙二醇-對(duì)苯二甲酸酯/ 聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯( PEGT /PBT) 嵌段共聚物為原料，以6月大的新西蘭白兔股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端關(guān)節(jié)的三維CT 成像數(shù)據(jù)為模型，利用3D 纖維沉積技術(shù)分別制備了兔股骨和脛骨修復(fù)支架，并將從兔自身提取的軟骨在支架上培養(yǎng)一段時(shí)間后，移植到兔的關(guān)節(jié)缺損部位進(jìn)行原位關(guān)節(jié)修復(fù)3 選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)( SLS) 是采用激光束按照計(jì)算機(jī)指定路徑掃描，使工作臺(tái)上的粉末原料熔融、粘結(jié)固化 當(dāng)一層掃描完畢，移動(dòng)工作臺(tái)，使固化

6、層表面鋪上新的粉末原料，經(jīng)過逐層掃描粘結(jié)，獲得三維材料美國(guó)密歇根大學(xué)的Das 等使用PCL 為原料，通過SLS 技術(shù)制備了3D 可降解多孔支架，支架材料的壓縮模量和屈服強(qiáng)度分別為52 67 MPa和2. 0 3. 2 MPa，該結(jié)果達(dá)到或接近了人松質(zhì)骨力學(xué)性質(zhì)范圍南洋理工大學(xué)的Wiria 等利用SLS 技術(shù)，將尺寸為125 250 m 的PLGA( 95 /5) 和HA 或HA /TCP 混合粉末燒結(jié)，制備了人第四中節(jié)指骨支架模型北京印刷學(xué)院生物印刷實(shí)驗(yàn)室胡堃研究組與廣州軍區(qū)總醫(yī)院骨科實(shí)驗(yàn)室張余研究組聯(lián)合開展了人體病變3D打印模型研究，通過對(duì)患有嚴(yán)重脊柱側(cè)彎畸形的病人進(jìn)行CT掃描，將患者病變部

7、位數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件，生成S T L格式文件后再輸入3D打印機(jī)，利用激光燒結(jié)技術(shù)生成模型。4 3D 噴印3D 噴印( 3DP) 技術(shù)是在基底表面鋪上薄層粉末原料，然后通過計(jì)算機(jī)CAD 模型控制噴頭按照指定路徑將液態(tài)粘結(jié)劑噴在粉末的設(shè)定區(qū)域，該層粉末粘結(jié)后上下移動(dòng)操作臺(tái)，并在粘結(jié)層表面鋪上新的薄層粉末，通過逐層粘結(jié)，最后除去未粘結(jié)的粉末原料，獲得三維原型材料3DP 技術(shù)操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)品具有高孔隙率、原料應(yīng)用范圍廣，其缺點(diǎn)是產(chǎn)品力學(xué)強(qiáng)度較低，產(chǎn)品需進(jìn)行后處理、只能使用粉末原料5 直接攜帶細(xì)胞打印的生物打印技術(shù)直接通過3D 打印技術(shù)控制細(xì)胞在微觀尺度的排列分布，對(duì)于調(diào)節(jié)細(xì)胞行為、細(xì)胞間的相互作用、細(xì)

8、胞與材料間的相互作用，以及促進(jìn)細(xì)胞最終形成功能組織。由于水凝膠與天然軟組織細(xì)胞外基質(zhì)在結(jié)構(gòu)、組成和力學(xué)性質(zhì)上的相似性，目前的細(xì)胞和組織打印技術(shù)主要是基于攜帶細(xì)胞的水凝膠的3D 沉積技術(shù)多倫多大學(xué)的Le n g等通過3D打印技術(shù)制備的單個(gè)細(xì)胞到凝膠狀片層結(jié)構(gòu)中，生長(zhǎng)成特定的片層皮膚狀結(jié)構(gòu)據(jù)報(bào)道，2013年12月，劍橋大學(xué)再生醫(yī)療研究所首次成功使用大鼠視網(wǎng)膜的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞通過3D打印技術(shù)制備出了3D結(jié)構(gòu)的人工視網(wǎng)膜細(xì)胞。人工視網(wǎng)膜細(xì)胞打印出來后存活良好，并且可以分裂生長(zhǎng)二 總結(jié)與展望3D打印技術(shù)制造個(gè)性化復(fù)雜內(nèi)植入物擁有巨大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景: 3D打印技術(shù)具有自由成型的特點(diǎn)，能快速精確地制造個(gè)性化內(nèi)植入物，不僅可減少患者的等待時(shí)間，提高手術(shù)質(zhì)量，還解決了傳統(tǒng)通用型內(nèi)植入物修復(fù)時(shí)形狀不匹配和力學(xué)性能差的問題 3D打印技術(shù)特別適合復(fù)雜產(chǎn)品的成型，在制造多孔內(nèi)植入物和有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合內(nèi)植物方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)存在的挑戰(zhàn)：1 原料的選擇，既要考慮其生物相容性、生物響應(yīng)性、降解性能、力學(xué)性能等因素，又需適宜于規(guī)模化生產(chǎn)以滿足市場(chǎng)需求，因此開發(fā)合適的原料依