【解析】构建骨组织工程支架中应用的3D打印技术

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2019年03月14日

  骨具有强大的自我修复的能力,但无法完全修复大体积的骨缺损。全世界每年骨缺损的患者数以万万计,因肿瘤和创伤而形成的大体积骨缺损是临床长进行骨修复和移植的次要缘由。医治骨缺损最抱负的材料就是自体骨,可是自体骨来历无限,同时添加了患者的疾苦,不克不及满足临床需要。骨组织工程的呈现,为这一难题提出了新思绪。骨组织工程根基起点是以“诱导成骨”的体例而非纯真以“爬行替代”的体例实现骨的修复和再生。近年来,跟着骨组织工程的研究深切,支架材料的制备以及其制备的方式也成为研究重点。

  骨组织工程支架的保守制备方式包罗溶液浇铸/离子洗出法、原位成型法、静电纺丝法、相分手/冻干法、气体成孔法等,虽然这些工艺也获得了但比力对劲的结果,但不克不及实现对支架材料和孔隙布局的切确节制,布局外形也无法做到与骨缺损部位的剖解布局完全契合,从而不克不及实现个性化植入物的制备。

  3D打印手艺的呈现,无效地填补了这些不足,敏捷在骨组织工程支架成型中获得普遍使用。3D打印手艺为快速成型手艺的一种,是一种基于三维数字模子,使用粉末状或液体的金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印体例来机关实物的手艺。因为其无需模具,可间接按照计较机三维图形数据“打印”出任何外形物品,以至可以或许节制所打印物品内部细微布局,这使3D打印手艺在建立骨组织工程支架的劣势得以表现。虽然3D打印手艺使用于骨组织工程支架的建立具有良多劣势,但仍处于起步阶段,使用于临床扔面对良多挑战。本篇综述次要包罗4个部门,别离为骨组织工程支架、骨组织工程支架中的3D打印手艺、用于3D打印机关骨组织工程支架的材料和会商。

  1材料和方式

  1.1材料来历

  第一作者使用计较机检索1990年1月至2015年2月MEDLINE数据库、ScienceDirect数据库、中国期刊全文数据库、维普中文期刊网等相关3D打印手艺在建立骨组织工程支架中使用的文章,英文检索词“three-dimensionalprinting,tissueengineering,rapidprototypingtechnology,scaffold,materials”,中文检索词“3D打印、组织工程学、快速成型手艺,支架、材料”,解除反复性研究。共检索到52篇相关文献,此中外文文献40篇,中文文献12篇。

  1.2纳入息争除尺度

  ①文章所述内容需为骨组织工程支架建立的论著或综述类文章,以及与3D打印手艺范畴研究功效相关的文章。

  ②统一范畴选择近期颁发或在权势巨子杂志上颁发的文章。

  ③文章述及3D打印手艺使用于支架建立及两者之间的关系,阐述其特点及优胜性并供给充沛的来由。

  ④在涉及材料对比与选择尝试的文章中,选择设想合理、干涉和对照的办法明白的尝试设想文章。

  ①反复性研究。

  ②尝试设想不合理的文章。

  1.3数据的提取

  计较机初检获得52篇文献,阅读题目和摘要初筛,解除中英文文献反复报道的内容,及与3D打印或骨组织工程支架不相关的内容。

  2.1纳入材料根基概况

  合适纳入尺度的33篇文献中,文献是关于骨缺损医治相关报道,文献是相关保守支架制备方式的相关报道,文献是关于支架所需具备的前提相关报道,文献是关于3D打印手艺劣势及要求的相关报道,文献是关于分歧材料的特征及使用进展的相关报道,文献是相关3D具有局限性与将来成长标的目的的相关报道。

  2.2纳入材料的研究成果特征

  2.2.1骨组织工程支架

  在骨组织工程的3个根基要素中(种子细胞、支架材料和发展因子),支架材料无疑有着举足轻重的感化,由于一方面,它是信号分子或靶细胞载体,另一方面,它还供给了新骨发展的支架[8]。在骨组织工程中,抱负的支架材料应具有以下前提:

  ①骨传导性:材料能为新组织的发展供给通道或前言的能力。

  ②骨诱导性:材料能够刺激骨组织的发展。

  ③优良的生物相容性:材料能推进种子细胞的黏拥护增殖分化。

  ④优良的生物降解性。

  ⑤足够的力学机能。

  ⑥三维多孔布局,能为种子细胞的发展供给空间。

  ⑦较易加工和消毒机能等。

  而对于支架的设想,需考虑以下3个方面:

  ①能为细胞供给黏附、分化、增殖或迁徙的根本,支架的孔径尺寸及布局、孔隙率以及概况化学性质是影响要素。

  ②合适的力学强度。

  ③合适代替部位的剖解学形态。

  图13D打印根基流程

  图注:图中A,B为第1和第2步:滚轴将薄薄一层原料粉末铺在工作台上;C为第3步:喷头将含有黏结剂的液滴局部喷在粉末床上,黏结剂四周的粉末与黏结剂连系,使喷过黏结剂四周的粉末局部凝固,形成最终成品三维布局的一小部门;D为第4步:铺有原料粉末的活塞上升,而铺有样品粉末的活塞下降,起头铺新的一层粉末(反复第2步),如斯频频,直到完整的3D布局被打印完全。

  别的,遍及认为3D骨支架孔隙率应大于40%-60%以利于细胞快速扩散和细胞养分物质的流动,同时有益于细胞的转移。所以设想与制备支架时需留意与注重骨组织工程支架的要求,选择最得当的方式与材料。

  2.2.2骨组织工程支架中的3D打印手艺

  3D打印手艺概况:3D打印手艺是最早于1989年由麻省理工学院的EmanualSachs等报道,是一种按需喷射的微滴喷射手艺。3D打印系统是在廉价的商用打印机系统上加以改良,添加z轴的活动节制系统,采用系统原有的喷墨安装或颠末改装的打针器阵列实现材料的离散构成。操纵这种手艺在制备骨组织工程支架时,一般通过打印机将储存于此中的具有骨修复功能的粉末材料和黏结剂逐层打印出模子布局,黏结剂用于将粉末粒子之间和层与层之间黏结,使其愈加安定,最终可构成所需要的骨组织工程三维支架材料。打印材料的微观布局能够通过良多参数进行调理,例如改变黏结剂的流速,打印的速度及堆积位置等。

  3D打印手艺相较于其他快速成型手艺,具有的劣势有:

  ①高精度:即高分辩率。

  ②能够同时打印种子细胞和支架材料,更利于全体三维布局的建立。

  ③建立速度快。

  ④可按需建立模子,实现个性化需求。

  ⑤可按照需要设定特定的孔隙率、交联,可显著提高支架的生物学及力学机能从而推进骨组织发展及骨折愈合。别的,从材料的角度来说,几乎所有品种的粉末只需可以或许与黏结剂连系都能够被用来打印。

  3D打印的可伸缩性又使得所打印物品的大小能够从几毫米到几米。这些特征大大添加了3D打印利用的自在度[14]。这些长处为3D打印手艺使用于骨组织工程支架建立供给了理论根本,也成为投入大量研究于此方式的意义地点。3D打印手艺根基流程:简单归纳综合为:铺撒粉末、单层印刷、活塞下降、来去活动和印刷构成5个阶段,根基流程如图1所示。

  3D打印使用于支架机关的要求:3D打印使用于支架机关时,所用粉末和黏合剂需具备必然的前提。粉末要具有必然的流动性、不变性和可湿性。而粉末与黏合剂之间的反映性在3D打印中也起到主要感化。

  ⑴流动性:所用粉末材料要具有必然的流动性。优良的流动性能够包管滚轴可将粉末铺成薄薄的一层,同时也利于最终除去多余的粉末。别的,优良的流动性供给了高分辩率的打印结果,也成为3D打印高精度特征的深层缘由之一。流动性次要取决于粒子大小和外形,粒子越小、外形越雷同球形,则流动性越大。有研究证明分辩率至多是粒子大小的2倍,所以高精度的打印结果依赖于选择藐小的粉末。然而,过小的粉末因为内部特殊感化力的缘由容易结块,导致流动性减低。所以在流动性与分辩率之间必需找一个均衡点。

  ⑵不变性:粉末的不变性在喷黏结剂时特别主要。当喷头喷黏结剂时,体积大约30pL的液滴以6m/s的速度冲击松散的粉末床,如许会构成雷同弹道的一个凹陷,底部是液滴。速度每添加1m/s,则受影响的范畴直径添加5-10μm。当从头涂布时,最上面一层收到剪切力的影响,很有可能形成所打印出的薄层布局移位,影响最终成品的精确度和完整性。除了此种横向移位,由重力所发生的压缩负荷会使所打印出薄层布局的纵向位移。因而,提高不变性、避免这些影响能够从提高黏合强度入手,如添加少量水或者添加粉末床的堆积密度。

  ⑶可湿性:粉末的可湿性是另一项主要的要求,它间接影响了打印切确程度和三维布局的原始强度。但太强的可湿性又形成黏结剂扩散范畴太大,降低了打印分辩率。而太弱的可湿性则会因为太大的接触角或黏结剂的高黏度而形成相邻层之间的错位,最终降低机械完整性。粉末的可湿性取决于多种要素,包罗粉末与黏结剂的接触角、黏结剂喷射速度、粉末床概况的形势以及粉末与黏结剂之间的化学感化等。目前很罕见到靠得住的数据来定量阐发物体的接触角,特别对于粉末愈加坚苦。虽然有一些方式用来研究粒子与黏结剂之间的彼此感化,如动力学液滴外形阐发,毛细上升方式,粒子流动的方式,但仍处于初级阶段,理解尚浅。

  ⑷反映性:粉末与黏结剂的反映性在3D打印中也起到主要感化。太高的反映性会限制黏结剂的扩散,而低反映性需黏结剂涂布愈加集中。所以反映机能够影响层与层之间的黏合,最终影响打印的切确度。对于那些完成3D打印后需经烧结处置的支架来说,由于黏结剂受燃烧影响受损会导致最终成品的强度降低。因而想包管足够的的机械不变性和强度,就必需降低黏结剂的集中程度。

  2.2.3用于3D打印机关骨组织工程支架的材料

  骨组织工程支架建立的材料按照其机能次要包罗人工合成多聚体类、天然高分子聚合物、生物陶瓷及它们的夹杂物。目前使用最多且最有使用潜力的为生物陶瓷材料,以下作重点引见。

  人工合成多聚体:这类材料以聚乳酸(PLA),聚羟基乙酸(PGA)及其共聚物(PLGA)为代表。这类聚合物属热塑性材料,可加工成各类布局外形,而且能够通过调增分子量、选择分歧聚合体例及成型手段调理并节制材料的力学机能和降解速度。因其降解产品无毒及优良的生物相容性,PLA和PGA曾经通过美国FDA的核准,许可作为植入物。

  Vacanti等起首将PGA、PLA用作软骨细胞体外培育基质材料,通过组织工程方式获得重生软骨成功。Sherwood等通过3D打印手艺,制备了上层组分为PLGA/PLLA,基层为PLGA/TCP的软骨-骨复合支架。研究发觉软骨细胞更倾向于黏附于支架的软骨支架区,培育6周后能够看到软骨组织的构成。支架的成骨区力学强度能够达到与人重生松质骨统一数量级。该研究为完全关节重建手艺供给了一种新的方案。

  Tay等用3D打印手艺将聚己内酯和聚乙烯醇的夹杂粉末制成准支架,然后再用微粒过滤法将聚乙烯醇除去获得多孔的支架。过滤后的支架松散柔嫩,孔的布局具有高的连通性。可是人工合成多聚体一般水溶性差,所以消融其需用到无机溶剂(如氯仿)。氯仿是一种有毒的溶剂,残留在体内会发生迫害感化。虽然操纵氯仿提取手艺能够削减氯仿,可是仍具有氯仿残留在支架内的风险。别的无机溶剂的利用较着添加了成本和出产难度,为大规模批量出产医用级支架材料制造了难题。

  天然高分子聚合物:天然高分子聚合物包罗胶原、纤维卵白、甲壳素及其衍生物和藻酸盐等,这些天然聚合物生物相容性好,具有细胞识别信号(如某些氨基酸序列),利于细胞黏附、增殖和分化。天然高分子聚合物一般水溶性较好,能够与无需溶剂消融的黏结剂连系。所以大量的天然高分子聚合物用于医学支架材料的打印。但它们具有一些错误谬误,如难以大量获取、降解时难以节制等,故很难零丁作为组织工程中成骨性细胞种植的载体。但其最大的错误谬误是缺乏必然的机械强度,难以零丁用作成骨细胞培育基质材料,可作为优良的材料包埋和添加剂。

  生物陶瓷:以磷酸三钙(tricalciumphosphate,TCP)和羟基磷灰石(hydroxylapatite,HA)为代表的磷酸钙盐陶瓷是普遍使用的骨替代材料之一,它们都具有优异的骨传导机能,可分歧程度地整合入宿主骨。磷酸三钙在人的骨骼中遍及具有,是一种优良的骨修复材料。磷酸三钙植入人体后,能在体内降解为新骨的构成,供给较丰硕的Ca和P[25],因为此特征,以磷酸三钙为基料的人工骨材料的研究与使用也是当今骨组织工程支架成长的活跃范畴。可是,纯真的支架的打印似乎曾经无法满足对最初成骨结果的等候。

  近年来,支架载药已成为研究热点,通过添加药物的体例来调理微情况,推进成骨细胞的增殖。袁景等操纵3D打印的方式,以β-磷酸三钙粉末为原料,以磷酸二氢钾为黏结剂,制备载药(地塞米松、β-磷酸甘油酸钠、维生素C)骨组织工程支架,并与未载药支架作对比,成果显示载药β-三磷酸三钙支架在15周内根基降解完全,与松质骨缺损修复时间相当。骨髓间充质干细胞黏附于载药β-三磷酸三钙支架概况,并深切支架内部,发展优良,增值活跃,细胞碱性磷酸酶活性有提高,申明载药β-三磷酸三钙支架具有优良的细胞相容性。别的,将两种生物陶瓷材料夹杂也呈现比力好的结果。Zhou等将磷酸钙(CaP)与硫酸钙(CaSO4)夹杂粉末做为原料,操纵3D打印组织工程支架。成果发觉磷酸钙与硫酸钙比率越高,则支架的强度越大。

  羟基磷灰石也是普遍使用于骨组织工程支架的材料。Fierz等以羟基磷灰石和水溶性黏结剂为材料,采用3D打印手艺制备了3品种型的圆柱状中空骨支架,支架直径3.9-4.2mm,核心管直径0.70-0.87mm,所有支架微孔含量达70%,组织学阐发发觉成骨刺激祖细胞可较好地附着于支架。羟基磷灰石一大劣势是对骨形态发生卵白具有较强的亲和性,Jun等在羟基磷灰石骨组织工程支架中插手含有骨形态发生卵白2的涂层,并与不含骨形态发生卵白2的羟基磷灰石支架作对比,成果发觉尝试组的成骨细胞愈加活跃,且骨组织发展环境更好,愈加适合作为骨移植替代物的选择。而羟基磷灰石的弱点在于脆性较大,而纯羟基磷灰石不易被接收,这限制了其使用。

  在生物陶瓷粉末的3D打印中,常用酸来做黏结剂如磷酸和柠檬酸。少量未反映的酸黏结剂残留一般来讲不会发生很大的影响。一些酸如柠檬酸、磷酸和草酸也具有于一般人体内,也很容易除去。刚打印成型的支架很脆,性质不不变,为使其愈加兼顾不变,则需在打印完成后将其浸泡在磷酸中使其软化,或者采用烧结的方式使钙磷石热分化而逐步构成焦磷酸盐,硬度添加。人工合成多聚体材料因其降解产品无毒及优良的生物相容性,已被普遍使用于骨组织支架,可是因为其水溶性差而需无机溶剂的引入,使支架内残留毒性物质的风险添加,限制了其成长。天然高分子聚合物则水溶性优良,无需无机溶剂的利用,而缺乏机械强度是其最大的错误谬误,但可作为优良的材料包埋和添加剂。生物陶瓷既有优良的生物相容性,同时又兼具足够的机械强度,已成为使用最普遍的骨组织工程支架材料之一,而几年来支架载药的研究又为其供给了新的成长标的目的。

  3D打印手艺使用于骨组织工程支架已取得了可喜的功效,而且包含着不成估量的前景。可是目前来讲,3D打印使用于骨组织工程支架并不是完满的,仍需认识到其具有的问题与不足。3D打印的费用比力高贵,不只打印设备及运转费用较高,其材料畴前期粉末的制成到后期的烧结过程中的破费也不容轻忽,打印1个头颅模子的破费高达1000-2000美元,这种破费对于中国国情来说并不现实,也限制了其在国内的成长;实现个性化定制虽是3D打印的一项劣势,可是,从另一角度讲晦气于大规模批量的贸易出产;因为3D打印最后用于工程学而并非医学,使用于支架的建立时是一个跨学科的过程,涉及两个范畴的专业学问,而目前医学研究人员与工程学研究人员的研究范畴和学问构架相对独立,缺乏特地的手艺人才,这也是此后3D打印更普遍使用于医学所必需处理和改善的问题;别的,在分歧粉末材料的选择上并无同一的尺度,在阐发各材料的好坏性时仍无系统靠得住的目标或缺乏充沛的尝试证据,仍需进一步研究从布局、功能、临床结果等多方面来分析评价其材料的长处与错误谬误;3D打印后的支架需连结必然的生物相容性,若何添加材料的生物相容性及更接近体内微情况的模仿仍需进一步摸索;细胞在3D支架材料内部的粘附、发展、分化与细胞与情况的感化机制仍需大量研究来阐明。

  将来3D打印手艺使用于骨组织工程支架的成长标的目的次要包罗以下3个方面:

  ①布局设想和制造:制备与一般骨组织具有类似的物理、化学和生物学功能,具有必然生物相容性兼具必然的生物强度。

  ②多种细胞和发展因子的交互感化:考虑各类细胞以及发展因子的感化,可恰当扩大打印的单元,间接打印出带有血管的骨支架。

  ③生物支架的保留和活性维持:需要充实考虑若何最大程度维持离体骨支架的细胞活性。

  挑战与但愿并存,文章看到3D打印手艺在骨组织工程支架中的应器具有庞大的前景,只要同时接管具有的挑战并逐步降服,才能阐扬其最大的价值,为将来医治骨缺损供给效率高疗效好的医治方式。跟着3D打印手艺的不竭成长、人们对骨组织工程支架材料的研究、工程学与医学的不竭交融和彼此推进,在不久的未来3D打印必然会在骨组织工程支架的机关范畴中大放异彩。

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