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解析基于生物相容性材料的3D打印骨骼修复技术的研究与应用

导读: 骨骼修复手术致力于修复因外伤、肿瘤和先天畸形等原因导致的骨组织缺损。这类手术在以前是一种难度很高的外科手术,其中骨骼修复材料起到决定性作用。

骨骼修复手术致力于修复因外伤、肿瘤和先天畸形等原因导致的骨组织缺损。这类手术在以前是一种难度很高的外科手术,其中骨骼修复材料起到决定性作用。随着医学技术的快速发展,骨骼修复材料已经逐渐从自体骨和同种异体骨向人工骨转变,但是传统人工骨不仅不易个性化加工,还有可能造成排异反应问题。

些年3D打印技术大量应用于临床医学,新技术给骨骼修复带来了基于生物相容性的人工骨材料。有别于传统制造方法,3D打印制造的产品不受模具脱模的影响,产品结构可以具有多孔隙、不规则曲面、封闭包裹体等特点,能够最大限度地还原病患骨骼原始形态。另外,拼接生物相容性材料,可以减 轻因材料排异反应对人体造成的伤害。3D打印技术能够有效降低骨骼修复的治疗成本,较大提升治疗成功率,对于骨骼修复手术以及衍生的骨组织培养技术有着引领技术革命的深远意义。

1 生物相容性材料 

国际上,3D打印技术用于个性化组织工程支架和骨骼假体植入物的制造已经有不少研究和应用,其中材料主要分为金属和非金属材料,而本文所述的生物相容性材料由于会与病患的机体产生恰当反应,而二者会在相互影响中直到达到平衡,或者生物相容性材料发生降解并逐渐消失。目前这类材料绝大多数是非金属材料,包括医用高分子材料和生物陶瓷类材料。

解析基于生物相容性材料的3D打印骨骼修复技术的研究与应用

1.1医用高分子材料 

高分子材料是目前3D打印中最主要的材料之 一,其中具有生物相容性的医用高分子材料按照可降解性分为可降解高分子材料和非可降解高分子材料,这两种虽然都具有生物相容性,但是其用途有较大差别。目前能够用于3D打印技术的可降解高分子材料包括聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)和乙交酯—丙交酯共聚物(PLGA)等。在很多桌面级3D打印机中应用最广泛的是PLA,其具有优异的生物降解性,最终降解产物只有水和CO2, 它也是作为最早研究的可降解医疗材料之一 。但是PLA的缺点在于强度较低、吸水性强且耐热性差。对 于骨骼修复而言,通过3D打印制造的骨骼支架经手术植入病患体内,过快的降解速度使得没有痊愈就开始降解,使得PLA在骨骼修复手术中具有一定的缺憾。 

PCL是近期研究相对较多的可降解医疗材料之一,其自身分子链结构中的C—O和C—C键能够自由旋转,使其宏观上具有良好的柔性和加工性。但是因为PCL缺少供生物功能分子或细胞识别的功能基团,也导致其作为生物医疗材料不利于细胞附在其表面生长。因此大量研究着眼于对PCL的改性,取得了不少可供临床试验的成果。韩国研究出一种与磷酸三钙(TCP)相结合的PCL改性材料,结合TCP能够促进骨再生且同样可降解的特点以及PCL自身优势,成功作为3D打印的骨骼修复材料植入实验者体内,取得了阶段性成效。图1为通过熔融喷射工艺的3D打印方式生产的PCL骨骼支架。 

解析基于生物相容性材料的3D打印骨骼修复技术的研究与应用

Cai等利用电子喷射工艺打印了PCL的骨组织支架,并对材料进行了表面处理,使得材料获得了良好的亲水性,便于软骨细胞的附着,加快软骨再生。Lam等利用熔体喷射工艺同样打印了以PCL为原料的骨与软骨组织复合的支架结构,并分别将骨细胞和软骨细胞种植在复合支架的不同位置,得到了两种细胞分泌的细胞外基质。这些研究均通过改性方式对PCL的缺点进行了弥补,使得骨组织支架能够有效培养出新的组织细胞,并用于骨骼修复手术当中,具 有实际的临床应用价值。 生物可降解水凝胶是一种具有生物相容性且可3D打印的高分子材料,水凝胶本身是种含水量高的水溶性高分子材料,其生物相容性和力学性能非常适合用于代替软骨组织。

另外,又由于这种材料具备基本的生物功能,例如:输送养分和排泄代谢物,因此生物可降解水凝胶还用于制作组织工程支架以及药物 可控释放的载体。Tetsu等采用激光快速成型工艺使用PLA和聚乙二醇混合料,打印了水凝胶支架,并用于做骨细胞培养支架,该实验支架具有较高的力学性能和良好的孔隙连接性,因此骨组织细胞在该材料上能够快速生长,其被用于骨骼修复手术。张仁坤等利用3D打印机制备胶原蛋白-硫酸肝素仿生脊髓支架,验证了该材料具有优秀的生物相容性,并能够促进神经干细胞的增殖与分化,为治疗脊髓损伤提供了细胞载体。 

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生物相容性材料并不一定需要做到完全降解消失,其中医用高分子材料中非降解材料的使用使得骨骼修复手术有了新的方向。目前具有生物相容性的非生物降解高分子材料包括聚芳醚酮、聚乙烯醇、超高摩尔质量聚乙烯,以及它们与纳米羟基磷灰石的复合材料。目前非可降解医用塑料在骨骼修复中的研究较少,刘瑞等采用碳纤维增强型聚芳醚酮植入下颌骨,并研究了材料的生物相容性和生物活性。最后发现与聚醚醚酮纯树脂相比,碳纤维增强型聚醚醚酮不仅有优秀的力学性能,而且植入后免疫反应小,具有良好的生物相容性及生物活性。虽然只是动物实验,但是这项实验足以验证非可降解高分子材料在骨骼修复手术中应用的潜力。 

与单一组分或结构的生物材料相比,复合生物材料的性能具有可调性。由于单一生物材料用3D打印制成产品会存在一定的不足,将两种或者两种以上的生物材料有机复合在一起,复合材料的各组分既保持性能的相对独立性,又互相取长补短,优化配置,大大改善了单一材料应用中存在的不足;但是对于理化性质差异较大的两种材料,如何利用打印的方法将它们很好地融合在一起,发挥它们组合的最大优势也是目前研究的热点之一。

1.2生物陶瓷材料 

生物陶瓷材料与生物组织有着优异的亲和性,并具有良好的物理和化学稳定性。其中一些具有高强度、低密度、耐腐蚀的生物陶瓷常被用于医学骨代替物或者辅助支架。虽然生物陶瓷在医学上的应用已经可以追溯到18世纪初期,但是自身材料的硬且脆的特点,使得加工难度很大,从而导致医疗成本高昂难以普及。随着3D打印技术的发展成熟,部分生物陶瓷可通过3D打印的方式进行加工,不仅成型周期和成本都有所下降,对于其产品结构复杂程度更是有了巨大的提升。以往生物陶瓷的应用主要集中在牙齿、骨骼紧固螺栓等简单细小的零件上,而3D打印技术带来的变化使得生物陶瓷材料更为广泛地应用在下颌骨、髋关节、股骨等复杂的大型骨骼代替物。生物陶瓷材料主要用于整形外科、牙科和脊柱外科等领域,是一种非常具有前景的骨骼修复材料。

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目前生物陶瓷材料主要有磷酸钙、双相磷酸钙和硅酸钙/β-磷酸三钙等。生物陶瓷除了用于制造骨骼代替物,还可以通过3D打印制造骨骼组织支架。其中,羟基磷灰石做的支架能够促进神经鞘干细胞分化成骨细胞,双相磷酸钙支架中β-磷酸三钙则有促进细胞骨性分化的作用,硅酸钙/β-磷酸三钙支架中的硅元素的释放有利于促进骨样细胞形成骨因子,进而促使细胞的骨性分化。从大量研究文献中可知,生物陶瓷材料普遍具有与松质骨十分相近的抗压强度和骨诱导性,不过,生物陶瓷材料由于采用3D打印,因此需要在高温环境下进行,如果过程中对成型制品进行活性涂层或生物药物的涂覆,会因为高温失去活性。另一个缺陷在于一般生物陶瓷材料力学性较脆,抗剪切性差,所以目前3D打印的生物陶瓷支架还停留在硬组织上的应用。 

早期使用熔融喷射3D打印技术时,硅酸钙/β-磷酸三钙液化后没有凝固的能力,并且其与水混合会出现影响喷射效果的小晶粒,使得在熔融喷射3D打 印中难以实现该生物陶瓷材料的应用。袁景等采用一定浓度的柠檬酸与β-磷酸三钙混合,发现在特定温度下其β-磷酸三钙可变成均匀的口香糖状喷涂态,并能够自行凝固,这使得β-磷酸三钙可作为熔融喷射3D打印的基材,为3D打印制备骨组织支架做出了开创式的贡献。随后对于生物陶瓷在其他3D打印技术中的应用也有不少研究,黄志红等分别利用光敏树脂选择性固化(SLA)、粉末材料选择性烧结(SLS)、丝状材料选择性熔覆(FDM)、箔材叠层实体制作(LOM)等3D技术,将羟基磷灰石或磷酸三钙用于制造人工骨,对比各种3D打印技术对于该材料的成型工艺的差异性,总结发现骨组织支架制造较为适合采用SLS,而对于低成本的替代人工骨制造则采用FDM比较合理。 

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2 3D生物打印骨骼修复技术的应用 

3D打印目前在医学领域应用很多,极大地推动 了部分手术,尤其是骨骼外科类手术的发展。其中在 骨骼修复中的应用主要集中在三种情况:

(1)直接打印等比例的人工骨骼代替缺损部位;

(2)打印起校正、支撑或观察等作用的手术辅助模型;

(3)制备骨组织工程生物支架。

这三种情况基本涵盖了主要的骨骼修复手段,其得益于3D打印技术的普及和生物相容性材料的研究,并且随着新技术的发展,新的应用会逐渐增多,给骨骼修复临床医学带来深远的影响。在骨骼修复中3D生物打印最直接的应用是打印 等比例人工骨骼代替缺损部分。张钰等对人体内踝骨骼进行螺旋断层扫描,把扫描数据转换成3D建模,并通过3D打印机对其进行了个性化打印,获得了内部是闭孔结构的胫骨假体。美国OPM公司也以聚醚酮酮(PEKK)为打印材料,将3D打印的假体替换了一名患者75%的头骨,这个高难度成功案例为头骨修复提供了巨大的参考价值。 

解析基于生物相容性材料的3D打印骨骼修复技术的研究与应用

在针对骨肿瘤的治疗过程中,医务人员根据患者CT值,通过3D打印技术打印出肿瘤的形状,便能够更直观地观察该肿瘤的界限,在术前进行手术计划的制订,另外根据打印的模型对其模拟手术操作,这样可以为准确切除肿瘤和重建骨关节提供准确数据,较大地减小手术风险,提高治疗效果。同时,利用生物相容性材料进行3D打印,将打印的骨关节代替物植入患者体内,准确还原患者骨骼缺损部分,减少后续的并发症,提高治疗的成功率。另外,近几年通过3D打印并具有生物相容性的人工骨完全代替缺损骨骼还处在研究和初步应用阶段,但是不少成功的案例已经证实在生物相容性材料的支架上涂覆生物活性物质或者直接由细胞打印的支架具有非常大的前景。 

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凭借3D打印技术的独特优势,将其应用于骨骼 修复当中既具有非常高的研究价值,更具有极大的市场潜力。生物相容性材料虽然可以被用于临床医学的并不多,但是就目前所采用的生物相容性材料,就已经给骨骼修复手术带来了较大地改善,能够解决骨骼代替物排异反应,又能制备成骨组织支架成功培养骨细胞甚至干细胞。除了能够让人工骨材料化学性质和生理机能均接近人体骨骼的同时,还兼具其优异的力学性能和一般加工方式难以得到的特殊结构,这都得益于结合了适当的3D打印成型工艺。因此重点研究结合3D打印技术与生物相容性材料的命题,才能得到更有效更广泛的骨骼修复临床应用,造福人们的健康生活。

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