带您进入生物3D打印世界

Three-dimensional printing (3DP), also known as additive manufacturing, rapid prototyping technology, free-forming technology, etc., is based on the principle of discrete-stacking, using computer-assisted layering and superposition molding techniques. Material is added layer by layer to form a 3D solid. Since the concept of 3D printing technology was first proposed by Charles W. Hull in 1986, 3D printing has penetrated into all walks of life and led innovation, resulting in global manufacturing due to its unique advantages in high precision, personalized manufacturing and complex shape construction. Industry change. Biological 3D printing is a cross-application of 3D printing technology in the field of biomedicine, which has important research significance and application prospects. 3D printing technology can be used to create standard models, as well as tailor-made surgical stents for patients. The patient’s bone defect is scanned by medical imaging techniques such as computed tomography (CT) or nuclear magnetic resonance (MRI) to obtain the desired stent model, which is then printed using a three-dimensional printer. This is difficult to achieve with traditional molding techniques. In recent years, 3D printing technology has been widely used in the medical field, including craniofacial transplantation, crown restoration, prosthetic devices, medical equipment, surgical models, organ printing, drug delivery models, bone tissue engineering stents, etc. [1]. 3D printing technology has attracted wide attention from researchers due to its tailorability, structural and pore controllability, and the ability to composite multiple materials. This trend has also inspired many inventions with breakthrough treatments and devices.

生物材料是否可以打印与所使用的3D打印机有很大关系。不同的打印机有不同的材料要求。在生物医学领域，使用的主要打印机分为四种类型：光固化立体印刷技术，熔融沉积印刷技术，选择性激光烧结技术和直接浆料挤出技术。

熔融沉积和直接浆料挤出技术是制备骨组织工程支架的两种常用方法。一些直接印刷的浆料是与水或低沸点溶剂（二氯甲烷（DCM），二甲基亚砜（DMSO））混合的聚合物溶液，有些是在挤出后迅速蒸发的聚合物溶液，或者某些水凝胶在挤出后仍保持其原始结构。通过三维印刷形成的涂层可以通过触变行为，温度感应或挤出后的交联来保持形状；用于熔融沉积和直接印刷；在XY平面上的分辨率可以高达25微米，并且该层厚度为200-500微米[2]。通常，在打印长的无支撑或尖锐模型时，这两种方法都存在问题，因为长丝的强度不足以立即支撑自身，因此，丝线会松弛或完全塌陷。为了解决这个问题，有时在打印完成后，在打印过程中添加填充材料，将其溶解在溶剂或在高温下煅烧。

颗粒熔融3D打印技术已广泛用于工业原型制作中，包括选择性激光烧结沉积技术和颗粒粘附技术，该技术不仅可打印聚合物，陶瓷，金属及其复合材料，而且还赋予它们独特或复杂的结构。选择性激光烧结使用具有特定方向的激光将聚合物或金属颗粒带到其熔点以上，从而将颗粒熔融在一起。根据计算机模型将激光束分层，然后从顶部熔化颗粒，然后重复此步骤以获得最终结果[3]。选择性激光技术的制造速度较慢，成本较高，并且需要使用大量材料，但是其在单个机床上形成多种材料的能力仍然使它在许多制造领域大受打击。颗粒粘结技术也称为非定向激光烧结技术，其主要原理类似于选择性激光烧结技术。然而，与粒子的激光熔化不同，粒子粘结技术使用液体粘合剂溶液来粘结粒子，然后通过高温煅烧获得三维固体。选择性激光烧结技术和颗粒粘附技术已用于硬组织工程中，例如整形外科或口腔外科。

立体光刻法是通过可光聚合的液态聚合物形成紫外光或激光以形成单个刚性聚合物膜的过程。聚合后，将基材降低到溶液中，以便新的树脂可以在印刷表面上流动并在上面聚合。在所有印刷技术中，立体光刻技术的分辨率最高，传统的立体光刻技术的分辨率达到25微米，而微型立体光刻技术和高精度立体光刻技术的分辨率为1微米[4]。然而，由于立体光刻，它只能在紫外光下交联，扩展的后成型性能，缺乏适当的机械性能，树脂容易在末端被堵塞，最重要的是缺少可用于立体光刻的相关生物相。 。电容性和可生物降解的材料使其在医学领域缺乏发展空间。但是，近年来，一些天然或合成的可交联生物材料的发现为立体光刻在组织工程领域的应用提供了巨大的机会[5]。

图1如何打印耳朵[6]

在过去的十年中，3D打印技术得到了快速发展，使其也可以在许多新领域中得到应用，并引起了医疗设备和组织工程的关注。由于3D打印可以在短时间内以低成本为患者量身定制特定的医疗产品，这也使3D打印技术在未来的个人医疗时代具有广阔的发展前景。目前，有许多生物材料可通过三维印刷来制备骨组织工程支架或其他医疗产品。在本次会议中，我们将概述不同印刷技术所需的材料特性，并重点介绍已应用的生物材料及其优缺点。

生物医学活性陶瓷通过模拟天然骨骼的矿物相，结构和机械性能，是仿生骨骼修复材料的理想选择。由于液体陶瓷材料的数量少并且其熔点远远超过熔融沉积印刷所能承受的范围，因此目前难以使用3D打印机直接打印陶瓷材料。另外，陶瓷材料由于缺乏光敏性能而不适用于光固化三维印刷技术。使用选择性激光烧结印刷系统印刷高密度和多孔结构也是困难的。直接挤出3D打印技术是当前用于打印陶瓷材料的最有前途的方法。陶瓷粉必须具有合适的粒径（通常为10-150微米）和合适的粘结溶液，以使其易于印刷。成型[7]。

羟基磷灰石粉广泛用于三维印刷，这与矿物相中大量的磷酸钙有关。将聚丙烯酸酯溶液逐层溅射到HA粉末上，然后进行烧结以完成固化过程，从而获得了羟基磷灰石偶联剂。通过烧结，其抗压强度（0.5-12Mpa）可以满足人体松质骨的最低要求。将其移植到小鼠模型中，八周后，新的骨骼开始在支架边缘形成，并且类骨和血管在内部生长。然而，尽管人造骨支架具有出色的性能，但仍然离临床使用标准还很远[8]。生物玻璃是内部分子随机排列的硅酸盐聚集体。材料中的成分可以与生物体内的成分交换或反应，从而形成与生物本身相容的物质。研究人员通过细胞和动物实验对生物活性玻璃进行了一系列研究，发现生物玻璃具有优异的自降解能力，其离子产物可以促进成骨细胞的增殖和分化并激活成骨基因的表达。为了有效治疗与肿瘤相关的骨缺损疾病，Lu等[9]首先制备了磁性纳米粒子修饰的介孔生物玻璃，并将其与壳聚糖混合以制备多孔复合支架。该复合支架具有良好的骨再生和光热治疗功能，在肿瘤相关骨缺损的治疗中具有重要的应用价值。

图2超弹性人造骨[10]

医用聚合物打印材料具有出色的加工性能，可应用于多种打印模式，并具有良好的生物相容性和可降解性，使其成为3D打印生物材料的主要力量。不同的打印技术需要设置不同的材料打印参数。例如，熔融沉积印刷使用热塑性聚合物材料，可以通过将原料简单地拉成长丝形状来进行印刷，但是其直径通常约为1.75 mm，并且具有快速的固溶转化性能以确保其被挤压。它在外出之前会很快融化，挤出后可以迅速冷却。光固化三维印刷技术要求浆料处于液态并具有光敏特性。

目前，使用最广泛的三维印刷聚合物材料是可降解的脂族聚酯材料，例如聚乳酸（PLA）和聚己内酯（PCL）。聚己内酯是一种半结晶聚合物，曾经被废弃，直到组织工程学和3D打印的兴起，而PCL再次处于历史舞台上。聚己内酯在加热时具有出色的流变性和粘弹性，使其成为基于熔融沉积的印刷机最重要的材料之一。聚己内酯在人体中稳定长达六个月，然后逐渐降解，副产物对人体无毒无害。聚乳酸是具有良好的生物相容性和生物降解性的线性热塑性脂族聚酯。然而，由于聚乳酸的降解是通过酯键的水解而实现的，因此乳酸的释放导致周围体液环境中的pH值降低。这些酸性副产物易于组织发炎和细胞死亡。为了改善这个问题，研究人员将聚乳酸与生物陶瓷结合起来制备复合支架，以改善其生物响应能力并阻止酸性环境的形成。 Ion等人[11]使用3D打印技术来制造一种新颖的磷灰石-硅灰石/聚乳酸（AW / PLA）复合结构，该结构与皮质和松质骨的特性相匹配。体外细胞实验结果表明，AW / PLA复合支架能够有效促进大鼠骨髓间充质干细胞的增殖和成骨分化。在大鼠颅骨缺损模型中，复合支架显示出良好的骨整合和促进新骨形成的能力。

除了PLA和PCL，聚丙烯（PPF）是光固化中研究最多的可生物降解和可光交联的聚合物材料之一。通常，将印刷的糊状物与富马酸二乙酯DEF溶剂混合，并添加光引发剂。溶液的粘度和PPF与DEF的比例对印刷过程和支架的机械性能有很大影响。聚醚醚酮（PEEK）的熔点为350°C，因此只能通过选择性激光烧结印刷技术形成。但是，高熔点还赋予PEEK耐热性，使其在高温蒸汽灭菌过程中稳定。但是，PPEK作为一种生物材料，缺乏对组织工程有利的骨整合，不能与天然骨很好地结合，因此容易引起排斥反应，价格昂贵[12]。

水凝胶是通过水溶性聚合物的化学交联或物理交联形成的聚合物，具有三维交联的网状结构，并且本身还包含大量的水。该水凝胶具有强度可调，可降解，功能修饰等特点，可作为模拟细胞外基质微环境的柔软材料，在医学领域具有广阔的应用前景。它可用于制备二维或三维组织工程支架并控制药物的释放。常用的三维印刷水凝胶膏主要分为三类：一种是从天然聚合物制备的，例如藻酸盐，琼脂，明胶，纤维素，胶原蛋白，丝素蛋白，透明质酸等。一种是从合成聚合物制备的，例如如聚丙烯酰胺，聚氨酯，聚乙二醇等；另一类是由合成聚合物和天然聚合物组成的复合水凝胶基浆料。

在水溶性合成聚合物中，医用聚乙烯醇（PVA）被广泛用于组织工程领域。 PVA具有良好的生物相容性，无毒且易于降解，可在95°C的水中溶解，形成凝胶，并具有高粘度。 Zhang等[13]制备了具有相互连接的孔的MBG / PVA复合支架。 PVA的添加显着增强了材料的韧性。使用大鼠颅骨缺损模型进行的动物实验还表明，MBG / PVA支架具有出色的骨诱导活性，并促进了骨缺损处的新骨形成和血管生成。

目前，有许多实验将细胞与3D打印的生物支架共培养。结果还表明，细胞可以在各种三维支架上存活，并且比普通的二维培养更好。但这仅是单元和材料的二维效果，不会将单元直接放置在打印系统中。将细胞与糊剂直接混合以进行印刷作为一种新想法也引起了研究人员的广泛关注。天然水凝胶具有良好的细胞相容性。它的组成与细胞外基质的组成相似，并且其粘附至表面蛋白质和细胞的能力很弱，并且几乎不会影响细胞的代谢过程。它可以包裹细胞，运输营养并分泌代谢产物。安德里亚（Andrea）等。 [14]以不同比例测试了I型胶原蛋白和透明质酸的生物墨水配方，并确定了一种最佳配方，该配方既可以进行生物打印，又可以支持生物活性并支持天然细胞-基质相互作用。 。他们将该制剂应用于包含人原代肝细胞和肝星状细胞的3D肝组织的构建，并测试了对乙酰氨基酚（一种常见的肝毒物）的作用。结果表明，甲基丙烯酸甲酯胶原蛋白和巯基透明质酸的结合产生了一种简单的，可打印的生物墨水，可调节间充质细胞的生长并治疗药物。有正确的反应。

图3细胞生物打印

Three-dimensional printing technology has great application prospects, but there are still many problems to be solved as the main members of the biomedical field. One of the problems lies in the limitations of the 3D printer’s own capabilities. Although its printing speed and printing accuracy have been greatly improved, in many cases it still cannot achieve the best level. Another major problem is the limitations of alternative biomaterials. Although many materials that can be printed have their own advantages, the materials used for transplantation must meet the requirements of physiological conditions and have a good response to the human body. In general, ideal orthopedic materials require the following characteristics: (1) printability, (2) biocompatibility, (3) excellent mechanical properties, (4) good degradability, and (5) by-products. Non-toxic and degradable, (6) good tissue biomimetic properties. Different types of printers have different material requirements, and these characteristics are sometimes difficult to fully satisfy. For example, in bone tissue engineering, on the one hand, a high-strength scaffold material is required to meet the growth and load of osteoblasts, but this also causes a problem of difficulty in scaffold degradation. Some soft materials with low strength are easy to print and are easily degraded, but they cannot be applied to load-bearing parts. In general, three-dimensionally printed pastes are used in the field of bone and cartilage repair due to their own hardness and natural bone proximity. Fundamentally, the choice of biomaterials is to balance their performance to achieve the desired material.

聚合物生物浆料已被广泛研究，尤其是对于廉价的弹性体，例如PLA和PCL。这些材料具有优异的生物相容性和机械性能，被广泛用作基材。除此之外，在未来的研究中，应注意聚合物材料的降解性，脆性和细胞相容性。传统上，HA和β-TCP等陶瓷材料被认为是硬组织工程支架的理想材料，现在正越来越多地用于陶瓷和聚合物复合材料的研究。可以改善陶瓷材料的添加。支架的强度和复合材料的生物学特性。水凝胶生物浆液和打印系统的发展使我们更接近于多功能，细胞固定模型系统的打印，我们希望有一天能实现器官打印。该过程始于超分子水凝胶浆料的研究。最后，如果要将3D打印技术应用于医疗领域，如何进行批量生产，如何控制质量以及如何克服管理障碍都是需要解决的问题。尽管前路漫长，但3D打印最终将在组织工程和医学领域大放异彩！

参考

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