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3D打印技术在生物高分子中的应用综述

2015-12-23 11:40
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  日本东京医科大学的Matsuo 等以聚( L-乳酸/HA)为原料,制备了可吸收多孔托架,辅助牙齿移植材料一起,用于下颌骨肿瘤切除后的下颌骨重建,获得了比金属钛支架更好的修复效果。

  水凝胶是一种具有高水含量的亲水性或双亲性聚合物三维网络。由于水凝胶具有良好的生物相容性,以及与人体软组织相似的力学性质,因此被广泛应用于组织工程支架材料与药物的可控释放中。目前,传统的水凝胶制备方法主要是通过高分子链间的化学反应或物理相互作用,难以实现对水凝胶外部和内部结构的精确调控。而3D打印技术则能实现对材料外部形态和内部微结构的精确调控,有利于调控细胞的分布,以及材料与生物体的匹配,因此具有独特的优势。

  康奈尔大学的Butcher以PEG-DA / 藻酸盐复合原料制备了主动脉瓣水凝胶支架, 该水凝胶的弹性模量可变。制备较大的瓣膜可获得更高的精确度。种植于水凝胶支架上的猪主动脉瓣间质细胞在培养21 天后具有接近100% 的存活率。

  2.熔融沉积成型

  熔融沉积成型( FDM) 是采用热熔喷头,使得熔融状态的材料按计算机控制的路径挤出、沉积,并凝固成型,经过逐层沉积、凝固,最后除去支撑材料,得到所需的三维产品。FDM 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。该技术特点是成型产品精度高、表面质量好、成型机结构简单、无环境污染等,但是其缺点是操作温度较高。

  近年来,利用FDM 技术制备生物医用高分子材料也受到越来越多的重视,尤其是以脂肪族聚酯为原料制备生物可降解支架材料,取得了相当多的进展。

  新加坡南洋理工大学的Teoh 等使用PCL 为原料,通过FDM 技术制备了蜂窝状、内部完全贯通的可降解3D 组织工程支架。材料的孔隙率与压缩性质具有高度的相关性。人初级成纤维细胞与材料共培养后,3~ 4 周后发现细胞完全充满支架的空隙。当将表面含有骨髓间充质细胞的3D 支架移植到猪眼眶的创口后,获得比没有支架材料或没有种植细胞的支架更好的新骨形成效果。该结果表明,这种3D 打印的PCL 支架可望应用于骨软骨修复方面。

  3.选择性激光烧结

  选择性激光烧结( SLS) 是采用激光束按照计算机指定路径扫描,使工作台上的粉末原料熔融、粘结固化。当一层扫描完毕,移动工作台,使固化层表面铺上新的粉末原料,经过逐层扫描粘结,获得三维材料。与SLA 技术通过紫外光逐层引发液态树脂原料发生聚合或交联反应不同,SLS 技术是通过激光产生高温使粉末原料表面熔融、相互粘结来形成三维材料。  SLS 技术常用的原料包括塑料、陶瓷、金属粉末等。其优点是加工速度快,且无需使用支撑材料,但缺点是成型产品表面较粗糙,需后处理,加工过程中会产生粉尘和有毒气体,而且持续高温可能造成高分子材料的降解,以及生物活性分子的变形或细胞的凋亡。

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