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解析3D打印技术在骨组织支架材料的应用

导读: 随着骨组织工程及其相关领域研究的深入和进步,骨组织工程支架的研究将会具有突破性的进展。在骨组织工程中,3D打印技术已经起着很重要的作用,应用此技术可构造出任何形状的物体。

“组织工程是20世纪80年代提出的一门新兴交叉学科。其基本含义是应用工 程和生命科学的基本原理和技术,在体外构建具有生物功能的人工替代物,用于修复组织缺损,替代失去功能或衰竭的组织,器官部分或全部功能。目前构建的骨组织工程支架还很不完善,在力学性能、降解速度、结构形态、生物活性等方面仍有许多问题亟待解决。随着骨组织工程及其相关领域研究的深入和进步,骨组织工程支架的研究将会具有突破性的进展。在骨组织工程中,3D打印技术已经起着很重要的作用,应用此技术可构造出任何形状的物体。

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应用传统方法制作骨组织工程支架取得一定成就,但在支架的三维结构、 力学强度、支架个性化方面不太满意,通过3D打印技术制作支架的方法有望改变这些不足。对3D打印技术制作骨组织工程支架作一综述 ,对支架的未来优化进行展望。当前3D打印技术已被应用于工业制造、医学等方面 。在生物医学方面,3D打印技术已近被应用 于器官及细胞打印、组织工程支架及假体植入物 、器官模型的制作及手术指导策划。

1、3D打印技术

3D打印技术是即快速成形技术的一种,它是一种数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿,或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件。“3D打印技术”意味着这项技术的普及。3D打印技术通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。

2、骨组织

2.1常用的骨组织工程支架材料:

人工骨支架材料可分为两类,即生物降解和非生物降解型。早期的人工骨支架材料都是非生物降解型的,这类材料有:高聚物(碳素纤维,涤纶,特氟隆),金属材料(不锈钢,钴基合金,钛合金),生物惰性陶瓷(氧化铝,氧化锌,碳化硅),生物活性陶瓷(生物玻璃,羟基磷灰石,磷酸钙)等。这些材料的特点是机械强度高(耐磨、耐疲功、不变形等,生物惰性(耐酸碱、耐老化、不降解)。但存在二次手术问题,因此人们开始研究使用可生物降解并具有生物活性的材料,这类材料有纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、聚醇酸及其共聚体、聚乳酸和聚羟基酸类、琼脂糖、壳聚糖和透明质酸等 多糖类。目前研究和使用的骨组织支架材料是降解材料或降解和非降解材料的结合。

2.2理想骨组织支架材料的特征

①生物相容性和表面活性:有利于细胞的黏附,无毒,不致畸,不引起炎症反应,为细胞的生长提供良好的微环境,能安全用于人体。

②骨传导性和骨诱导性:具有良好骨传导性的材料可以更好地控制材料的降解速度,具有良好骨诱导性的支架材料植入人体后有诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化并促进其增殖的潜能。

③合适的孔径和孔隙率:理想的支架材料孔径最好与正常骨单位的大小相近(人骨单位的平均大小约为223 μm),在维持一定的外形和机械强度的前提下,通常要求骨组织工程支架材料的孔隙率应尽可能高,同时孔间具备连通孔隙,这样有利于细胞的黏附和生长,促进新骨向材料内部的长入,利于营养成分的运输和代谢产物的排出。

④机械强度和可塑性:材料可被加工成所需的形状,并且在植入体内后的一定时间内仍可保持其形状。

骨组织3D打印技术打印,成为骨再生的未来希望

3、3D打印技术在构建骨组织支架材料的研究状况

3D打印技术制作骨组织工程支架的实验研究  目前可用作骨组织工程支架制作的3D打印技术有熔融层积成型、立体平版印刷、选区激光烧结及3DP技术等。

3.1 熔融层积成型

熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化,同时三维喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后 ,机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层,直至形成整个实体造型。熔融层积成型技术所使用的原料通常为热缩性高分子,包括{ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等}。

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熔融层积成型技术的优势在于制造简单、成本低廉,此技术可用不同材料制作不同组织,各解剖结构可分别用不同颜色、类型的材料制成以示区分,但打印出的支架在精度及表面质量方面还不理想,而且高温可能破坏原材料的化学成分,同时温度对于熔融层积成型效果影响非常大,成品效果依然不够稳定,所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用熔融层积成型技术,且该技术不能打印生长因子 、蛋白质 、细胞 ,限制了其在医学支架方面的进一步应用,耗时较长可达24 h。

3.2立体平板印刷SLA

又称为光敏液相固化法、光固化成形、立体光刻等,是最早出现的技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。它是在树脂槽中盛满液态光敏树脂,使其在激光束或紫外线光点的照射下快速固化。这种工艺方法适用于制造中小型工作,能直接得到塑料产品。它还能代替蜡模制作浇铸模具,以及作为金属喷涂模,环氧树脂模和其它软模的母模,是目前较为成熟的快速原型工艺。

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近年来单纯以光过敏树脂为材料通过立体平板印刷法打印骨组织工程支架已有较多的报道。通过此法制备的支架具有人松质骨的力学强度,并可促成骨细胞增殖及粘附。研究表明,用混合材料制作的支架比单纯的光过敏树脂制作的支架在力学强度、组织相融性、成骨性方面更有优势。Kim等以聚富马酸二羟基丙脂/羟基磷灰石为原料,通过此技术制备了复合支架材料、复合支架材料孔隙结构、孔隙相通。孔隙大小及力学强度比单纯的聚富马酸二羟丙脂更有优势,且加入羟基磷灰石能进一步促进胚胎成骨细胞前体细胞在支架上的黏附和增殖。同样以磷酸酯寡聚体-双甲基丙烯酸酯/羟基磷灰石为原料,利用立体平板印刷技术制成的复合材料更能促进骨形成及材料骨的结合。

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