深度解析 | 3D打印骨組織工程支架研究

文： 李想

眾所周知，人體無法完全愈合大規(guī)模的骨缺損，并且在大多數(shù)情況下，需要外部手術(shù)干預(yù)來恢復(fù)正常。目前臨床上的常用的骨移植物材料有以下幾種：自體骨，即材料取之于患者本人身體，是最理想的修復(fù)物，卻存在二次傷害，多術(shù)區(qū)及供區(qū)并發(fā)癥、來源不足等問題；異體骨，多來自尸體捐獻或是動物，存在免疫反應(yīng)、潛在感染風(fēng)險及倫理道德的問題。

圖1：不同后處理工藝及不同組分的3D打印人工骨支架的力學(xué)性能及生物性能

在此背景下，3D打印人工骨支架成為了相關(guān)科研工作者的研究熱點。由于此項技術(shù)能夠直接制造具有設(shè)計形狀，受控化學(xué)性質(zhì)和互連孔隙的多孔支架，已然成為制造骨修復(fù)材料的不二選擇。本文將結(jié)合發(fā)表于Materials Today的一篇綜述性文章《Bone tissue engineering using 3D printing》，介紹3D打印人工骨支架的最新進展、當(dāng)前的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展方向。

綜述首先給出了相關(guān)背景介紹。人體的骨組織由兩種不同結(jié)構(gòu)組成：松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨。松質(zhì)骨為海綿狀，具有50~90％的孔隙率。皮質(zhì)骨是致密的骨外層，孔隙率低于10％。對于骨組織的連續(xù)向內(nèi)生長，相互連通的孔隙是非常重要的，以允許營養(yǎng)物和分子運輸?shù)街Ъ艿膬?nèi)部，促進細胞向內(nèi)生長，血管化以及廢物去除。目前，多孔骨支架可以通過多種方法制造，例如化學(xué)/氣體發(fā)泡，溶劑澆鑄，顆粒/鹽浸，冷凍干燥等。然而這些方法，不能控制孔徑，形狀及其互連性。而使用3D打印方法設(shè)計和制造這種支架，可有效解決上述問題。

文中隨后總結(jié)出：多孔支架的強度及降解性能受孔徑，幾何形狀和支撐方向相對于加載方向的影響很大；其次，材料表面特性如表面電荷和形貌也會影響材料親水性，進而影響骨組織向內(nèi)生長。文章接著指出：低機械強度是多孔支架中的主要挑戰(zhàn)，而優(yōu)化的后處理方法和成分修改可以改進人工骨支架的力學(xué)性能。

圖2：3D打印顱部結(jié)構(gòu)及植入物結(jié)構(gòu)示例

使用3D打印支架進行生長因子和藥物遞送也是一大研究熱點。這種方法不僅相對于全身遞送所需劑量減少，副作用大大減輕，還可控制藥物的釋放模式。文中總結(jié)出：支架孔徑大小，連通性和幾何形狀是控制藥物負載以及體內(nèi)釋放速率的有效參數(shù)。

文中著重介紹了3d打印人工骨技術(shù)現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向，一針見血地指出來自粘合劑的殘余物在燒結(jié)過程中可能難以去除。能否獲得更高的精度和分辨率，制造更小的孔徑，取決于粉末特性和構(gòu)建參數(shù)。并且3D打印人工骨始終需要后處理，如在高溫下燒結(jié)或致密化。燒結(jié)過程中，整體收縮具有不均勻性，會導(dǎo)致零件大量開裂并使其無法使用。由于這一缺陷，使用3D打印真正模擬出前述松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨共存的結(jié)構(gòu)非常困難。另一個后處理挑戰(zhàn)是從零件內(nèi)的互連孔隙中去除松散的粉末，孔內(nèi)的殘留粉末可能與多孔部分燒結(jié)，使其與設(shè)計部分的相互連接較少，并進一步減小燒結(jié)后孔的尺寸。

圖3： 基于3D打印人工骨支架的藥物釋放研究

由于能夠針對患者特定缺陷和特定臨床需求進行定制，因此未來這一領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)的需求將不斷增加。針對人工骨3D打印，需要注意的最關(guān)鍵問題是多孔支架的機械性能。然而增加孔隙率將降低支架的強度，但使用可降解的聚合物滲透以增強這些支架的強度和韌性是解決該問題的一種方法。其次，印刷活細胞或添加生長因子/藥物治療將是另一個頗具前景的研究方向。文中最后指出，雖然目前的技術(shù)讓我們建立了與組織相似的結(jié)構(gòu)，但我們距離完全打印功能組織還有很長的路要走。在該方向上需要更多的過程-性質(zhì)優(yōu)化，體外和體內(nèi)研究、以繼續(xù)推動骨組織工程的發(fā)展。

作者：李想
來源：  EngineeringForLife