3D打印技術制備生物醫用高分子材料的研究進展

      3D打印技術能夠根據不同患者需要，快速精確制備適合不同患者的個性化生物醫用高分子材料，并 能同時對材料的微觀結構進行精確控制．因此， 這種新興的醫用高分子材料制備技術在未來生物醫學應用（尤其是組織工程應用）中具有獨特的優勢．近年來，對于3D打印技術制備生物醫用高分子材料的研究開發受到了越來越多的關注。南極熊覺得，2016年是3D打印在生物醫療方面長足發展的一年，不同的生物相容高分子原料被應用于3D打印技術，而這些3D成型高分子材料被用于體外細胞培養，或動物模型的軟組織或硬組織修復中．接下來我們主要來看一下近年來3D打印技術在生物醫用高分子材料制備中的研究進展，并對該領域的未來應用和挑戰進行了展望。
    國內外對3D打印在生物醫療上的應用研究有著很大的進步，南極熊之前報道過很多，例如國內的藍光英諾和國外的哈佛大學的研究機構：3D打印技術的基本制造過程是按 照“分層制造、 逐層疊加”的原理．例如，可以根據CT等成像數據，經計算機3D建模轉換后，再以STL格式文件輸入到計算機系統中，并分層成二維切片數據，通過計算機控制的3D打印系統進行逐層打印，疊加后最終獲得三維產品．目前應用較多的3D打印技術主要包括光固化立體印刷（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結（SLS）和三維噴印（3DP）等。       3D打印技術的應用領域也在隨著技術的進步而不斷擴展，包括生活用品、機械設備、生物醫用材料， 甚至是活體器官．在生物醫學領域，目 前3D打印技術在國際上已開始被應用于器官模型的制造與手術分析策劃、個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造、以及細胞或組織打印等方面 ．例如，在骨科、口腔頜面外科等外科 疾病中通常需要植入假體代替損壞、 切除的組織，以恢復相應的功能以及外觀，然而，目前臨床所使用的替代材料都是按照固定模式制造，難以與患者的缺損部位完美匹配，無法獲得十分滿意的效果．而利用3D打印技術則可以根據不同患者的CT、磁共振成像（MRI）等成像數據，快速制造個性化的組織工程支架材料，甚至可以攜帶細胞對組織缺損部位進行原位細胞打印， 該技術不僅能實現材料與患者病變部位的完美匹配，而且能在微觀結構上調控材料的結構，以及細胞的排列，更有利于促進細胞的生長與分化， 獲得理想的組織修復效果。 
      因此，在近年來，3D打印技術被越來越多的應用于生物醫用材料的制備．另外，生物相容與生物可降解高分子在生物醫學應用，尤其是組織工程應用中具有獨特的優勢，因此，3D打印技術應用于制備生物醫用高分子材料的研究在近年來取得了顯著的進展．本綜述著重總結了近年來利用不同的3D打印技術在制備生物醫用高分子材料， 包括生物可降解組織工程支架材料、水凝膠，以及攜帶細胞的生物打印系統方面的研究進展。 光固化立體印刷 
1 生物可降解組織工程支架 
光固化立體印刷技術（SLA）使用的原料為液 態光敏樹脂，也可在其中加入其他材料形成復合材料．它是采用計算機控制下的紫外激光束以計算機模型的各分層截面為路徑逐點掃描，使被掃描區內的樹脂薄層產生光聚合或光交聯反應后固化，當一層固化完成后，在垂直方向移動工作臺，使先前固化的樹脂表面覆蓋一層新的液態樹脂，逐層掃描、固化，最終獲得三維原型．SLA技術具有高精度、性能穩定、產品力學強度高等優點，其缺點是成型產品需要清洗除去雜質，可能造成產品變形．
 

SLA技術是目前技術最成熟和應用最廣的3D打印技術． 目前常用于SLA技術制備生物可降解支架材料的高分子原料包括光敏分子修飾的聚富馬酸二羥丙酯（PPF）、聚（D，L-丙交酯）（PLA）、聚（ε-己內酯）（PCL）、聚碳酸酯，以及蛋白質、多糖等天然高分子．為了降低液態樹脂原料的黏度，還需要加入小分子的溶劑或稀釋劑，常用的如可參與光聚合反應的富馬酸二乙酯（DEF）和N-乙烯基吡咯烷酮（NVP），以及不參與聚合反應的乳酸乙酯 ．該技術獲得的3D成型材料具有可調控 的孔尺寸、孔隙率、貫通性和孔分布．韓國浦項 科技大學Cho等以PPF為原料， 通過利用SLA技術制備的多孔支架具有與人松質骨相似的力學性質， 并發現支架能促進成纖維細胞的黏附與分化  ．通過將PPF支架移植到兔皮下或顱骨缺損 部位的實驗表明，PPF支架會在動物體內引起溫和的軟組織和硬組織響應  ．移植2周后會出現 炎性細胞、血管生成和結締組織形成，然而，到第8周，炎性細胞密度降低并形成更規則的結締組織。
 

脂肪族聚酯（如聚（D， L-丙交酯）（PLA）和聚（ε-己內酯）（PCL））由于具有良好的生物相容性和可調節的生物降解性能，因此目前被廣泛應用于生物醫用領域．以脂肪族聚酯為原料的3D打印成型技術也受到了越來越多的關注．荷蘭屯特大學Grijpma等以富馬酸封端的3臂聚（D，L-丙交酯）（（PLA-FA）3）為原料， N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）為稀釋劑和共聚單體，通過立體印刷技術制備了具有規整螺旋孔結構的可降解組織工程支 架（圖2（B））  ．支架材料的親水性可以根據NVP共聚單體的含量調節．支架材料的楊氏模量則受到材料的含水量的影響．經水中浸泡后的支架，楊氏模量隨著NVP含量的增加而降低，而干燥狀態下的材料的楊氏模量則隨著NVP含量的增加而升高．研究發現該支架材料能促進鼠前成骨細胞的黏附與增殖．
 

另外，同一課題組還以甲基丙烯酸酯封端的線性或多臂PLA為原料，以乳酸乙酯為非反應稀釋劑，制備了可降解的多孔支架 ．支架材料的力學性質受到原料分子量的影響，如以較高分子量的線性PLA為原料的產品具有較高的力學強度， 而多臂PLA原料臂長只有高于600g/mol時才具有較好的力學性質．聚（ε-己內酯）（PCL）由于具有較低的熔點，因此以雙鍵修飾的PCL為原料，可以不需要添加溶劑，這樣能避免支架材料中殘留溶劑  ．研究發現，獲得的 支架與CAD模型能精確匹配， 沒有發生明顯的收縮．材料的平均孔徑和孔隙率分別為465μm和70.5%．以雙鍵修飾的脂肪族聚酯，如PLA或聚（D，L-乳酸-ε-己內酯）（PLACL）為原料，根據模型設計，可制成具有不同內部孔結構的生物可降解支架材料，如立方形、菱形、螺旋行等孔結構  ．獲得3D成型產品的整體結構對應于CAD 模型的精確度達到95%． 聚碳酸酯也是一類應用廣泛的生物降解高分子材料．因此，聚碳酸酯也被用于立體印刷的樹脂原料．日本九州大學的Matsuda等以丙烯酸酯修飾的聚（三亞甲基碳酸酯）（PTMC）為原料，通過微立體印刷技術，制備了三維微柱、微條、微錐和多微通道結構。

 

在材料中引入聚乙二醇（PEG） 組分會降低材料的細胞黏附性．通過在老鼠皮下的移植實驗，發現PEG的含量與分子量會對材料的溶脹率、 降解速率，以及藥物擔載和釋放能力產生明顯的影響．此外，支架的幾何形態（如孔徑）對于材料的細胞黏附性產生明顯的影響 ． 支架材料的物理參數（如力學硬度、孔徑、通道幾何形狀等）能對細胞的信號表達和分化產生顯著影響．研究發現，對于具有螺旋孔結構的支架，具有較大孔徑的材料能獲得較高的細胞密度  ．具有高滲透性、多孔通道和力學硬度的支 架能明顯促進成骨細胞的信號表達．此外，3D 成型支架材料的生物相容性和細胞/組織響應性可以通過引入生物活性分子來調節．通過使用生物活性短肽（如RGD、 生物素等）對材料進行表面修飾，可以調節材料與細胞的相互作用，能促進細胞在材料表面的黏附、增值與分化  ．另外， 考慮到（甲基）丙烯酸酯的殘留可能會造成對皮膚的刺激及其他毒性，具有較低細胞毒性的乙烯酯也被用于立體印刷的原料單體 ．
 

乙烯酯具有 與（甲基）丙烯酸酯相當的轉化率和產品壓痕模量．通過細胞實驗對比，乙烯酯具有比（甲基）丙烯酸酯更低的細胞毒性．將材料移植入成年新西蘭白兔的股骨遠端缺損部位后，組織學分析顯示材料具有良好的動物體內相容性． 由于羥基磷灰石（HA）具有優良的骨誘導性能， 因此HA與光敏高分子一起作為原料，可用于制備具有生物活性的骨組織工程支架材料．韓國浦項科技大學Cho等使用PPF/HA為原料，制備了3D復合支架材料 。獲得的支架材料的孔和 骨架結構均一，且孔間相互貫通，使用HA粉末能有效地產生納米/微米尺度形態．加入HA能進一步促進胚胎成骨細胞前體細胞在支架上的黏附和增殖．日本東京醫科大學的Matsuo等以聚（L-乳酸/HA）（PLLA/HA）為原料，制備了可吸收多孔托架，輔助牙齒移植材料一起，用于下頜骨腫瘤切除后的下頜骨重建，獲得了比金屬鈦支架更好的修復效果  ．另外，以碳酸酯寡聚體-雙甲基丙烯酸酯（OCM-2）/HA為原料，利用立體印刷技術制成的復合材料能促進骨形成，以及材料與骨的結合  ．尤其是，材料經過超臨界CO2處理后，增 加了材料與骨組織的接觸面積，顯著提高了材料的生物相容性．

2 生物可降解水凝膠
水凝膠是一種具有高水含量的親水性或雙親性聚合物三維網絡  ．由于水凝膠具有良好的 生物相容性， 以及與人體軟組織相似的力學性質，因此被廣泛應用于組織工程支架材料與藥物的可控釋放中．目前， 傳統的水凝膠制備方法主要是通過高分子鏈間的化學反應或物理相互作用，難以實現對水凝膠外部和內部結構的精確調控．而3D打印技術則能實現對材料外部形態和內部微結構的精確調控， 有利于調控細胞的分布，以及材料與生物體的匹配，因此具有獨特的優勢．適用于立體印刷技術制備水凝膠的常用原料包括（甲基）丙烯酸酯封端的PEG，并可通過引入細胞黏附肽RGD、肝素等生物分子，實現在微觀結構上調控細胞的黏附或生長因子的釋放，當然南極熊在相關方面也有過報道：
荷蘭大學用高強韌水凝膠3D打印兔子植入物
神奇3D打印水凝膠裝置：可由磁力控制在體內精準釋放藥物

 

材料的性質受到 紫外光照時間和原料濃度的影響 ．美國德克薩 斯大學埃爾帕索分校的Arcaute等以PEG雙丙烯酸酯（PEG-DA）為原料，利用立體印刷技術制備了具有多內腔結構的水凝膠神經導管支架  ．該 支架材料經凍干/溶脹后，能較好的維持材料的初始形態， 適合于體內移植．具有較高PEG含量的水凝膠具有較好的抗縫合線拔出強度，而具有多內腔的導管比只含有單內腔的導管表現出更高的抗壓強度，與市售的神經導管的抗壓能力相當．美國康奈爾大學的Butcher等以PEG-DA/藻酸鹽復合原料制備了主動脈瓣水凝膠支架．該水凝膠的彈性模量可在5.3～74.6kPa范圍內變化．制備較大的瓣膜可獲得更高的精確度．種植于水凝膠支架上的豬主動脈瓣間質細胞在培養21天后具有接近100%的存活率．另外， 通過立體印刷技術，以甲基丙烯酸修飾的PLA-PEG-PLA三嵌段共聚物為原料，可以制備出多孔或非多孔水凝膠，材料具有較窄的孔徑分布、良好的貫通性和力學性質  ．所得的水凝膠能促 進人間充質干細胞的黏附和生長。

天然高分子也可作為立體印刷技術的原料制備水凝膠．例如，以甲基丙烯酸酯修飾的明膠為原料，制備了微結構可控的水凝膠  ．水凝膠的力 學性質可以通過改變原料結構和高分子濃度來調節．材料孔結構的貫通性能促進人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）的均一分布和分化， 并能維持細胞的表型和生物功能（圖4）．另外，以芐酯修飾的透明質酸衍生物或甲基丙烯酸羥乙基酯（HEMA）修飾的葡聚糖/透明質酸（Dex-HEMA/HAc）為原料制備的3D水凝膠，具有良好的細胞相容性 ．通 過以芐酯修飾的透明質酸衍生物為原料，成功制 備了耳廓支架 

熔融沉積成型 
熔融沉積成型（FDM）是采用熱熔噴頭，使得 熔融狀態的材料按計算機控制的路徑擠出、沉積，并凝固成型，經過逐層沉積、凝固，最后除去支撐材料，得到所需的三維產品．FDM技術所使用的原料通常為熱縮性高分子， 包括ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等．該技術特點是成型產品精度高、 表面質量好、成型機結構簡單、無環境污染等，但是其缺點是操作溫度較高．近年來，利用FDM技術制備生物醫用高分子材料也受到越來越多的重視， 尤其是以脂肪族聚酯為原料制備生物可降解支架材料，取得了相當多的進展．材料的性質受到壓力梯度、熔體流速、溫度梯度等影響  ．