快速成型技术在骨组织工程中的应用进展

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慢性骨髓炎是骨科常见疾病，由于常有死骨和窦道形成，其治疗非常困难，除了局部和全身应用敏感抗生素外，彻底清除病灶部位的坏死组织是有效控制骨感染的关键所在，而清除坏死的骨组织必然会导致骨缺损，常需要植骨以促进骨愈合。自体骨移植供骨量有限且存在取骨区感染风险，而同种异体骨移植存在传染疾病的可能，使得骨移植的应用受到限制。

近代组织工程的快速发展，为其治疗提供了新方法，采用组织工程技术构建多孔支架，并复合种子细胞及生长因子，移植填充骨缺损部位从而达到恢复、改善组织功能的目的。

快速成型(RP)是20世纪80年代末发展起来的一种先进的***，是在计算机辅助下，根据物体的三维CAD或CT等数据，基于离散/堆积原理，采用逐层叠加成型的方法，加工内部结构十分复杂的制件。由于组织工程支架要求必须具有微孔结构，以适应种子细胞生长的需要，此外不同组织的孔隙率不一样，传统的加工方法很难做到。而使用快速成型技术，可以在调节支架材料粉末颗粒大小的同时通过改变切层的网格填充方式来改变孔隙率和微孔的大小，从而适应不同的组织工程材料需要。目前较成熟的快速成形技术有激光立体光刻技术、分层实体***、激光选区烧结技术和三维打印技术等。本文就上述几种常见的快速成型技术在骨组织工程中的应用做一综述。

立体光刻技术(SL)

立体光刻技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理而进行的，先在计算机中生成目标三维模型，通过软件将其分割为若干个层面，随后在工作台上铺一层设定层厚的液态树脂，通过计算机控制一定波长和强度的紫外激光光束按单层二维面轮廓进行扫描，使轮廓内的树脂固化。随后工作台下降，在上一层的基础上再铺上另一层树脂，然后光源按照新的层面二维轮廓信息再次扫描，在前一固化层上沉积新的固化层，如此重复直到整个零件成形完毕。

SL技术是目前快速成形技术领域中研究和应用最多的方法，也是技术上最为成熟的方法，它成形的零件精度较高，加工精度甚至可以达到0.1mm。与组织工程结合，通过SL工艺可以制备出高精度、形状复杂、孔隙率和孔隙形状可以精确调控的医用生物材料或组织工程支架。Shanjani等采用光刻技术，制备30%体积孔隙度的多孔聚磷酸钙材料并置入兔股骨髁间，6周后扫描电镜观察填充部位均完全生长。

Schantz等采用聚己内酞胺与磷酸钙作为材料，通过光刻技术制造出多孔的内部完全贯通的骨组织工程支架，并将人骨髓间充质干细胞与支架在体内联合培养8周，结果证实通过该技术生产的骨组织工程支架具备良好的生物相容性。由于立体光刻技术所用的材料主要是光敏树脂，其需要支撑，树脂收缩导致精度下降，而且这种材料置入体内生物相容性和生物降解性能都不好，容易引起毒副反应，因而SL技术应用于临床骨组织工程有一定的局限性。

分层实体***(LOM)

分层实体***采用薄片材料如纸、薄膜等作为原料，首先通过计算机设计三维CAD模型并进行切片，然后将原材料如底面有热溶胶和添加剂的纸，逐步送至工作台的上方，在计算机的控制下，激光束按薄片的横截面轮廓线在工作台上方的薄层材料上切割出该层横截面的轮廓形状，并将材料的无轮廓区切割成小碎片便于成形，剔除废料。在每层成形之后，可升降工作台降低一个材料厚度，同时送进新一层材料，利用热粘压机将该层材料与前一层材料粘合在一起，如此往复，层层堆积，便得到最终需要的三维产品。

采用LOM技术，丁焕文等以CT扫描获取患者骨骼，并在建立的解剖模型外形轮廓内进行支架内部结构的计算机辅助设计，建立其计算机辅助设计模型，最后采用实体分层***精确制作骨组织工程支架的原型，观察其内部结构设计结果，其结果显示该技术可成功地制作个体化解剖外形的支架，制作的骨组织工程材料内部结构非常精细，具有模拟骨结构高孔隙率和较好的孔隙相互连通性能。LOM技术存在部件表面质量恶化的问题，为克服此缺陷，Ahn等采用LOM过程中的添加剂***，可有效地降低部件表面粗糙度，提高部件精度，利于LOM在实际中应用。

LOM技术的优点是加工过程无收缩，没有应力；无须设计和制作支撑结构；原材料价格便宜，制作成本低。其不足之处是材料选择范围小；工件(特别是薄壁件)的抗拙强度和弹性不够好，应用于骨组织工程中时，要制作人工骨，必须先将羟基磷灰石制作成薄层状，而且要求可以卷曲，从材料学角度较难实现。

选区激光烧结技术(SLS)

选区激光烧结技术将材料与粘结剂的粉末混合物铺洒于平面基底并刮平，用激光在粉末表面按零件截面形状扫描，材料粉末在激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，按照新的零件形状截面用激光选择性地烧结成形，同时保证新的一层与已经烧结成形的上一层零件截面牢固烧结在一起；如此逐层烧结成形直至形成完整的三维实体零件。

一般认为，孔隙率越高越利于细胞的黏附及生长，Zhang等采用SLS技术制备羟基磷灰石增强的聚乙烯和聚酰胺的复合材料，研究其形态特征、内部结构、孔隙度和机械性能等指标，并与传统的压缩成形加工得到的试样比较。结果显示，SLS技术获得的样本其内部结构是多孔的，且其多孔结构相互连接开放，通过改变激光能量及使用更小的颗粒，达到孔隙率可控的特征，从而适合不同的组织工程需要。

Xia等采用选择性激光烧结制备了纳米HA/PCL支架，扫描电镜观察显示该支架具有预先设定的大孔和互相连接的微孔，从而其孔隙率可以达到70.31%～78.54%，生物力学结果显示其抗压强度达3.17MPa，人骨髓基质细胞接种培养实验显示其具有极好的生物相容性。不仅如此，加入充足人骨形态发生蛋白－2(rhBMP－2)的释放动力学实验表明，该材料可以显著增加rhBMP－2的释放速率，具有应用于临床的潜在价值。

Yu等以正常羊颅骨三维外形为基础，制造出孔隙率达91%及直径分别约360μm大孔径和3～5μm小孔径的PLGA－TCP人工骨支架材料，通过复合rhBMP2构成活性人工骨，用于修复标准羊颅骨缺损模型的对照试验研究，结果提示该活性人工骨具有良好的降解率及成骨性能。

SLS技术不仅可用于制造组织工程复合材料，还可以应用于材料表面涂层，改变材料相容性等性质。Fox等通过选择性烧结在铸造钴铬合金表面制备了多孔钛涂层，以改善其在生物体内的表面相容性。

Hongyou等报道了用一种结合表面活性剂和颗粒模板的称为软平板印刷的方法，来形成有功能的纳米结构，其研究已达到分子水平，他们直接制造出用于光学系统的直接写入传感阵列。Lima等采用此技术以自底向上的方法，制备的聚己内酯膜具有精确的形状，其孔隙度可控，以支持附着的人骨髓干细胞的培养增殖，从而适合于骨组织工程的应用。

骨组织工程中，关于应用SLS技术方面的各种文献多是集中在模拟骨小梁结构设计骨的支架结构，并且最终采用烧结工艺完成生物骨的制造。采用该技术可以直接烧结粉末状羟基磷灰石，然而由于烧结精度不高，人工骨微细结构不易制出，并且内部未被烧结的羟基磷灰石粉不易去除，生长因子和靶细胞等的复合和培养也很难直接进入生物骨的内部而只是作用在制成的生物骨表面。

三维打印技术(3DP)

三维打印技术操作简便易行，对工作环境无特殊要求，室温下即可进行，可用于多种粉末材料如聚合物和陶瓷等的加工，成品价格较低。三维打印技术不仅可制备支架，还可用于支架表面改性。用三维技术制备的骨组织工程多孔支架突出特点是微孔的数量、大小、分布及形状可人工控制。这种人工骨不但与被代替骨形状基本一致，而且具有极好的生物相容性和可降解性，可以逐步被人体再生骨组织替代。基于其内部的微孔结构，组织液和骨细胞容易长入，这种载体框架结构可以创造一种微环境，有利于细胞的粘附、增殖和功能发挥，以此达到组织工程骨的并行生长，加速材料的降解和成骨过程，促进骨组织的修复。

三维打印技术可以在计算机的辅助下精确制备具有特定空间结构的组织工程支架，利用该特点，先后有学者设计了含有多种药物分布区域的载药人工骨结构，他们利用三维打印技术在常温下逐层粘结聚乳酸粉末，并将不同药物精确喷置于载药人工骨的相应部位，分布在不同部位的药物由外到内逐一释放，体外与动物体内药物释放实验均表现出良好的药物缓释和控释性能。

尽管如此，三维打印技术制备支架也存在以下不足:支架孔径较小，且孔径与原料粉末的粒径有关；为了提高支架的孔径和孔隙率，三维打印技术常与颗粒滤粒法共同使用，如果不能完全析出，将有颗粒残渣留在支架内。另外支架的机械强度较低，也需要进一步改善。

综上所述，上述快速成型技术已经在人工骨制造领域显示出强大应用前景，虽然目前该技术在推向临床应用中还存在一些问题，相信随着对生物可降解材料以及支架制备研究的不断深入，该技术的众多优势，必将会在骨组织工程修复和促进入类健康中发挥愈来愈重要的作用。

(来源：中国矫形外科杂志 )