3D打印在生物医疗领域的应用及医学案例
作者：江 洪 陈亚杨 刘义鹤
来源：《新材料产业》 2017年第11期
3D打印技术诞生于20世纪90年代中期，是一种基于计算机3D数字成像技术和多层连续打印的新兴技术。3D打印技术结合了光固化和纸层叠等技术，用于物件的快速成型。近年来，3D打印技术在生物医学领域取得了突飞猛进的进展。
一、组织工程学中的技术进展
组织工程学的目标是为再生疗法创造功能性组织和器官，最终实现器官移植或置换。研究人员在可再生医学领域不断的试错以验证技术的可行。研究人员在长期对自然人体组织观察后提出了一份要求清单。他们指出，如果希望人造组织像人体内的自然组织那样起作用，那么人造组织就必须：①通过微缝、胶水[1]或细胞粘[2]附实现与自然组织的整合；②在体内实现组织基本功能[3]；③完全血管化以维持其生理功能[4]。
此外，用于组织制造的打印机也需要标准化：①生物打印机需要设定极端的灭菌方法；②密切监测湿度和温度等因素以达到生物打印的理想条件；③理想的喷嘴尺寸和输送方式。
1. 热喷墨生物打印[5]
研究人员修改了典型的喷墨打印机，以便为组织材料提供便利的特殊打印头。印刷台或接收托盘也被修改为在三维空间（x，y，z方向）上移动。选择用于组织制造的打印机之一是具有300 dpi打印分辨率的HewlettPackard（HP）Deskjet 500热敏式喷墨打印机。研究人员使用通道直径更小的喷嘴与该打印机结合使用。用“生物墨水”替代了普通墨水。这种“生物墨水”是一种由蛋白质、酶和悬浮在培养基或盐水中的细胞组成的水基液体。
喷墨打印机从上到下逐层打印生物组织。可使用扫描的CT或者MRI图像引导进行3D打印。流体液滴作为先前设计的图案的点对点表示被喷射到打印表面上。热喷墨打印机还可以使用热量生成能在针头内破裂的小气泡，以提供将生物体排出喷嘴的压力脉冲。过高的温度将破坏生物细胞，因此打印机内温度控制为高于环境温度4 ～10℃，以保证90%的生物细胞活性。喷出喷头的生物墨水的剂量根据温度梯度、电流频率和生物墨水粘度可从10 ～150pL变化。
目前已经能打印出生物软骨以替代传统的可降解支架。通过蛋白多糖和II型胶原中的细胞外基质（ECM）沉积，已经能使生物软骨在聚乙二醇（P E G）巨噬细胞内保持活力。利用P E G水凝胶的可调节压缩模量，能打印出和人类自然软骨相容的生物软骨。但这种无血管和非淋巴结的组织不足以产生更高水平的功能性组织构建体，如肾脏和其他复杂器官。但通过人类微血管内皮细胞和纤维蛋白同时沉积形成微血管系统，使得在人类微血管制造中使用热喷墨打印机具备潜力。
2. 直写生物打印
直写生物打印（d i r e c t - w r i t ebioprinting）与热喷墨打印技术具有相同机制。打印机头由标准注射器或针头制成，并被修改为使用机械或气动功率来分配生物体。打印阶段的运动受数字控制，并在x、y和z方向上移动。直写式打印机的生物学特征可以由不同浓度的水凝胶组成，其由琼脂糖、藻酸盐、I型胶原蛋白和P l u r o n i cF127组成。所有这些水凝胶聚合物在体外培养时已经成功地保持高的细胞活力。
打印机可由数字独立控制进行多个印刷单元并加载材料，因而能够打印具有不同组成成分的组织。直接写入生物打印也可以在一定剂量内控制打印材料，并允许在打印中进行设计修改，意味着打印组织具有更快的周转时间。
目前有3种直接写入打印的方法：气动、机械、气动-机械混合。气动系统使用高粘度材料更好地工作，而机械系统更适合于用更低粘度材料。材料粘度是许多因素的函数，包括胶凝机理、聚合物分子量、聚合物浓度、温度、交联剂活性和湿度。生物印刷线的物理尺寸也是许多变量的结果，包括针直径、材料流速、印刷线高度和线性写入速度。根据图案，所分配的材料的线宽和高度对于制造可能是至关重要的。需要时间为水凝胶制备最佳条件，并且在规划较大结构的制造时必须考虑在非最佳温度或湿度下，材料性质和细胞存活力都可能产生的负面影响。因此，为了选择分配印刷材料的最佳方法，
必须考虑所需的粘度、线宽和高度，图案以及进行印刷的条件，通过确定使用材料所需的最佳条件来最小化变量。
3. 椭球体器官打印
一般来说，组织制造是通过可塑性支架与“模具和填充”方法进行。然而，3D多孔支架中多种细胞的精确放置过程是非常复杂的，并且支架遗留下来的材料会在体内降解时刺激机体产生的免疫反应。将体外细胞接种到固体可生物降解的支架上，等待支架生物降解和组织新形态发生的过程非常耗时，工作量大且成本高，无法实现量产。研究人员认为，更先进的方法必须能够以高水平的细胞密度精确放置细胞，并且需要实现厚层3D组织的有效血管化，利用工业规模的自动化/机器人生物制造方法，而非基于模板的组织装配。由此研究人员开发出球体器官打印技术。这种技术能够自组装和就地结构化，不使用可降解支架即可保持形状。
椭球体（s p h e r o i d）是一种可测、可进化、成分可控的生物体。当椭球体互相靠近时，将会像液体一般产生自融合。因此具备自组装和自组织的潜力。
通过使用不同类型的椭球体，能制造出具有内置血管分支的器官。研究人员制造了3种类型的球状体，以创建血管分支：固体或非内腔球体、具有大管腔（单腔管球体）的球体和微血管化组织球体。可以通过同时放置所有3个血管球体，有效地构建大直径、中等直径和微直径的不同血管分支。在生物
打印、融合、组织成熟后，血管分支能整合到其他3D组织或器官构建体中。目前，这种技术仍然在研究中。
目前3D打印在组织工程学中的限制主要在于：
（1）血管化
为了创造一个完整和有功能的器官，研究人员必须能够创造出具有各种血管结构和微结构的完全血管化的厚复合组织，以维持周围的组织器官。但目前实现起来仍然比较困难。当前血管化的主要手段是将生物机体的毛细血管向移植器官内渗透[6]，但这一方法缺乏控制和特殊性（specificity），并且血管的渗透深度有限，渗透过程容易导致渗透区域发生变形，造成组织破坏。因此更理想的方式是在器官移植前进行血管化。
（2）组织成分和成本
除血管化外，天然组织还含有独特的细胞组合和组织。需要开发模拟天然组织复杂性的技术，以驱动组织恢复和替代医疗应用；另外，生产器官工作量十分巨大，如肾脏需要产生至少一百万个肾小球和肾单位。同时，制造的组织必须是可扩展的，这在目前无法达到。最后，生产成本是一个无法避免的挑战。
二、生物医用3D 打印材料
生物医用领域的3D打印材料主要包括金属、陶瓷、高分子材料和活体细胞等。
1. 金属
金属材料具有良好的强韧性、耐疲劳性以及延展性，使其成为医学上应用最广泛的一类生物医用材料，主要用于骨骼、牙齿和血管等组织器官的治疗[7]。金属的熔融温度比较高，打印的难度较大，所以金属3D打印一般采用光固化立体印刷（S L A）和选择性激光烧结（S L S）方式加工，由金属粉末在紫外光或者高能激光的照射下产生的高温实现金属粉末的熔合，逐层叠加得到所需的部件[8]。目前用于生物医学3D打印的金属材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等，已有医学研究人员利用钛合金材料打印出人造骨骼，并成功植入人体。但是，该技术的缺点适用于3D打印的金属材料昂贵，患者难以承担高昂的费用，无法实现全面推广。虽然金属材料因其良好的特性在医用领域有广泛的应用，但是金属材料料植入后受到腐蚀和磨损而使综合性能变差、发生炎症反应等，并且金属中含有对人体有毒性的合金元素，以及金属材料植入件与生物体之间的匹配程度等问题是目前3D打印医用金属材料需要解决的问题。
2. 陶瓷
陶瓷材料具有低密度、高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好的特性，主要应用在口腔和骨骼等硬组织器官中。主要使用的陶瓷材料有磷酸钙、磷酸二正硅酸钙、双相磷酸钙、硅酸钙／β－磷酸三钙等材质的生物陶瓷，并根据生物陶瓷在生物体内的活性分为惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷及可吸收生物陶瓷3大类[9]。硅酸钙陶瓷具有很好的生物活性和诱导沉积类骨经基磷灰石层的能力。羟基磷灰石生物陶瓷植入人体后，其多孔结构有利于血液循环，血液通过其微孔结构为羟基磷灰石深部的新生骨提供营养，促进纤维组织和新生骨的结合和生长，是一种性能优异的硬骨组织替代材料[10]。双相磷酸钙陶瓷是由羟基磷灰石和磷酸钙按一定比例组成的混合物，具有良好的生物相容性、生物活性及可降解性。西安交通大学的郭大刚研究团队利用快速成型模板成功调制双相掺锶磷酸钙陶瓷骨支架，这种陶瓷支架在保证强度的同时提高了可降解性[11]。陶瓷材料脆而硬的特点，加大了其加工成型的难度。因此，3D打印陶瓷材料时多使用激光烧结法可将黏合剂粉末熔化，并使之与陶瓷粉末黏合[12]。同时，陶瓷材料脆而硬的特点也是限制其在生物医用领域的3D打印技术中具有更广泛应用的因素之一。纳米技术有望改进生物陶瓷材料的这一缺点。研究人员在研究改变陶瓷材料成分配比的同时，将纳米技术纳入研究，以制备3D打印所需的生物应用陶瓷粉末。
3. 高分子材料
在生物医疗领域，金属材料与高分子材料是被采用最多的2种医用材料。医用高分子材料一般常用于制成直接用于人体的医疗用品、药用高分子和人工器官等。因此，这类材料除具有良好的加工性能
和物理机械性能之外，还必须具有优良的生物相容性[13]。除此之外，由于3D打印技术的“墨水”需要粘合剂成分，用于3D打印的医用高分子材料往往需要很高的固化速度、固化收缩率等。生物医用高分子材料种类众多，其中聚乳酸、聚丙烯腈和聚四氟乙烯等是最常用的几种高分子聚合物[14]。2002年，MalcolmN.Cooke等[15]人提出了一种利用SLA技术制造用于组织工程的可生物降解聚合物支架的新方法。该实验使用富马酸二乙酯（DEF）、聚（富马酸丙烯酯）（PPF）和光引发剂、双酰基氧化膦（BAPO）的生物可降解树脂混合物作为原材料，成功制造了可用于骨基质的组织工程支架。目前，关于生物医用高分子材料的研究和实际应用案例众多，但是在生物医用3D打印高分子材料领域的研究还处于初步阶段。3D打印机利用医用高分子材料制造的成本比较高，如何保障高分子材料在满足医疗使用所需的性能的同时，降低成本，是目前研究人员要重点攻破的难关。
4. 活体细胞
活体细胞可作为3D生物打印材料直接打印人体组织器官。在组织工程支架领域，研究人员利用3D打印技术制造组织工程支架，精确控制孔径大小与细胞匹配，使细胞更好地粘附在支架上，促进细胞增殖。而直接使用活体细胞进行打印，利用3D打印技术控制细胞在微观尺度的排列分布，相比于在已成型的支架中种植细胞，直接携带细胞打印可以获得更高的细胞密度。但是，细胞体外培养需要外基质的支撑，因此细胞3D打印的材料是均匀的细胞/细胞外基质复合物[16]。水凝胶与天然软组织细胞外基质在结构、组成和力学性质上相似，具有高度膨胀的网络结构，有效包裹细胞的能力，良好的生物
活性以及高效的传质能力。可以提供分子定制的生物功能和可调节的机械性质，以及用于细胞生长和组织形成的细胞外基质样微环境，使其成为常用的细胞3D打印的细胞外基质。水凝胶的制备材料包括天然、合成和天然/合成复杂聚合物等各种聚合物材料[17]。常见的包括海藻酸盐、明胶、纤维蛋白胶、胶原、透明质酸、聚富马酸丙二醇酯（PPF）、聚氨酯（PU）、聚氧乙烯（PEO）等。2013年，赫瑞瓦特大学团队A l a n F a u l k n e r -J o n e s等[18]开发了用于形成人体胚胎干细胞球状体聚集体的细胞打印机，并成功利用该打印机使用人体人体胚胎干细胞打印出人造肝脏组织。但是目前细胞3D打印的组织器官的存活周期短，还有待进一步的研究。
