3D打印用于骨缺損治療的研究進展

來源：上海貝奧路

骨缺損是臨床上常見的一類疾病，具有手術難度大、治療周期長、并發(fā)癥多等特點，如何快速有效促進骨缺損修復是臨床醫(yī)師面臨的巨大難題。對于骨缺損，目前的治療手段主要以手術治療為主，包括牽引成骨、骨移植技術等。近年來，3D打印在醫(yī)療領域應用越來越廣泛。本文對3D打印在骨缺損治療方面的應用進行綜述，并對具有研究前景的3D打印組織工程支架做重點介紹。

3D打印在骨缺損修復手術前的應用隨著材料工程和醫(yī)學影像技術的不斷發(fā)展，通過計算機輔助設計進行三維重建，根據(jù)個性化模擬制造出大小、形態(tài)完全一致的實體三維模型，應用骨缺損修復中的術前診斷和手術模型，直接或間接地提高了手術精準度。

3D打印骨植入材料修復骨缺損

臨床常用骨植入物
自體骨移植：自體骨移植是骨缺損修復的“金標準”，因為它擁有所需的所有特性，同時保留了完全的組織相容性。由于生長因子的存在，它具有成骨性和骨誘導性，明顯的組織相容性，可以提供結構上的支持，并含有活的成骨細胞，且不會傳播疾病。使用自體骨移植的缺點是其供應量有限，且大量使用自體骨移植容易發(fā)生骨質(zhì)吸收。采集自體骨會增加時間和失血量，并且可能需要全身麻醉，從而增加了手術的難度。供體部位可能發(fā)生包括感染、長時間的傷口引流、再次手術、持續(xù)6個月以上的疼痛和感覺喪失等并發(fā)癥。

異體骨移植：異體骨來源豐富，形態(tài)大小不受限制，現(xiàn)較為廣泛的用于臨床。但異體骨組織相容性低，存在排異反應，并且完全依賴宿主細胞侵入成骨，而大塊異體骨深部再血管化非常緩慢，往往成為死骨，還有較高的再骨折發(fā)生率，已證實在長期使用中有大量的失敗記錄。

3D打印個性化定制體內(nèi)假體植入物
骨缺損的重建方式包括異體骨植骨、自體骨植骨、假體修復等，其中假體修復具有外形美觀、能夠?qū)崿F(xiàn)早期活動、穩(wěn)定性好、功能恢復好等優(yōu)點。

3D 打印在大段骨缺損修復中的應用
大段骨缺損是由先天性缺陷、外傷、感染和骨腫瘤造成的，在康復期會導致延遲結合或不結合。在大段骨缺損的治療中，3D打印發(fā)揮著越來越重要的作用。多例病患臨床資料表明3D打印假體在重建骨腫瘤切除導致的大段骨缺損中是可行的，術后功能良好，且并發(fā)癥少；3D打印假體植入可實現(xiàn)骨骼解剖重建與生物力學穩(wěn)定重建，采取有效的干預措施可減少患者術后并發(fā)癥的發(fā)生；原位3D打印機器人可以快速、準確地進行人工骨組織工程植入，且術后恢復效果好，在臨床應用方面有很大前景。

3D打印多孔支架
骨組織工程學是一門利用支架植入細胞或加入生物活性生長因子促進骨修復和再生的學科，其主要研究內(nèi)容包括支架材料、種子細胞、成骨因子等多個方面。骨組織工程支架除了滿足機械、結構上的要求，還必須滿足生物學所需的特性。為了克服這些限制，金屬材料、聚合物材料或生物活性陶瓷材料可以組合在一起構建出復合材料，這些復合材料可以滿足各種要求的支架，包括生物相容性、生物降解性、骨導電性、機械強度等。

金屬支架
金屬因其良好的生物相容性、較強的耐疲勞性及優(yōu)異的力學性能而被廣泛應用于骨組織工程，目前常見的金屬支架材料包括鈦及其合金、鈷、鎳合金等。在所有金屬材料中，鈦及其合金是目前應用最廣泛的金屬支架材料。因其良好的生物相容性、可靠的機械性能和耐腐蝕性被廣泛用來制造骨科內(nèi)植物支架。同樣具有生物可降解性的金屬還有鎂。研究表明，與其他金屬植入物相比，鎂合金具有較高的機械強度和彈性模量等物理性能，更接近天然人骨，并且還有優(yōu)秀的促成骨能力。

生物陶瓷支架
生物陶瓷材料含有金屬和非金屬成分，它具有良好的生物相容性、適當?shù)纳锝到庑院蛢?nèi)在的骨誘導能力，并且其化學性質(zhì)與骨相似，具有較高的抗壓強度和較低的延展性，而被廣泛用于3D打印。常用的生物陶瓷材料包括羥基磷灰石、β-TCP、硅酸鈣、雙相磷酸鈣、磷酸鎂、氧化鋁、氧化鋯等。磷酸鈣是天然骨組織的主要成分，已被證明能刺激干細胞和骨祖細胞的成骨。磷酸鈣衍生物釋放的磷酸鹽離子在誘導干細胞成骨分化中起關鍵作用。β-TCP 是常見的磷酸鈣材料，因其良好的生物降解性常被用于骨再生。

聚合材料支架
聚合物已被廣泛用作制造組織工程支架的生物材料，其可以是天然的，也可以是合成的。天然聚合物，如纖維蛋白、透明質(zhì)酸、殼聚糖和膠原蛋白，表現(xiàn)出與人體的小分子成分相似的結構，具有較高的生物相容性、優(yōu)異的生物降解性、骨傳導性和低免疫原性。與天然聚合材料相比，合成聚合材料具有更好的機械強度、更高的可加工性和可控的降解速率，并且降解產(chǎn)物的毒性低，可以實現(xiàn)完全代謝，這些合成聚合材料包括聚乳酸、聚乙醇酸、聚己內(nèi)酯、聚乙二醇、PLGA等，并且可以利用這些可控的性質(zhì)針對特定需求及應用制作定制化支架。

復合支架
復合材料由兩種或兩種以上具有不同性能的材料組合而成，每種材料只顯示一些優(yōu)點和特定的缺點。這種組合可以是共聚物、聚合物-聚合物共混物或聚合物-陶瓷復合材料的形式。因為人體骨是由無機HA 晶體和有機膠原纖維混合制成的復合材料，所以在眾多復合支架中，聚合物-陶瓷復合材料在仿生方面更具優(yōu)勢。將由PCL和β-TCP 組成的3D打印復合支架植入兔股骨頭的裂隙中，與對照組相比，復合支架具有更高的促進新骨向內(nèi)生長能力，這種3D打印的β-TCP/PCL 支架可能是一種用于治療早期股骨頭壞死的很有前景的可吸收植入物。

總結與展望
在骨缺損修復領域中，3D打印技術應用廣泛，主要包括術前規(guī)劃、模擬手術，從而降低手術難度、縮短手術時間、減少手術創(chuàng)傷、促進術后恢復。3D打印的內(nèi)植物或假體可以解決部分異體骨或自體骨難以解決的大塊、復雜型骨缺損的修復問題。3D打印技術制備組織工程支架是一個正在快速發(fā)展的研究領域。隨著未來新技術和生物材料的出現(xiàn)，同時微結構得到優(yōu)化，最終這些3D打印的組織工程支架可能是讓骨缺損患者有機會改善生活質(zhì)量的關鍵。

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