熔融沉积法制备骨组织工程支架的应用进展.pdf

生 物 医 学 工 程 研 究 ，（）：吉林省教育厅科学技术研究规划项目（）。通信作者 ：；熔融沉积法制备骨组织工程支架的应用进展夏德庚，胡悦，矫君君，吕雯昊，张天翼，马宁，金泉（吉林大学口腔医院 牙周科，长春 ；吉林大学 材料科学与工程学院，长春 ）摘要：人工骨支架材料因来源广泛、免疫排斥风险低及可个性化定制等优点在骨替代材料领域中受到广泛关注。传统的骨支架制造工艺复杂且难以控制其内部结构，严重阻碍了骨支架的研发。打印技术及其与骨组织工程的结合推动了骨支架领域的快速发展。熔融沉积制造（，）作为 打印技术的一种，其原理简单、成本低，可准确、快速地制备结构复杂、外观个性的骨支架。本文从组成、结构和功能角度对 技术制备的骨支架进行分类，阐述其应用及研究进展，最后展望 骨支架在未来的临床应用和发展趋势，以期进一步为骨支架研究提供参考。关键词：熔融沉积制造；打印；骨支架；骨缺损；骨修复；复合材料中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（），：；引言由创伤、感染、肿瘤或先天性疾病引起的骨缺损的再生治疗是一项全球性临床难题，每年有超过 万例骨移植手术 。较小的缺损无需人为干预即可自行愈合，但超过临界骨缺损者，则需通过植入骨或骨替代材料才能恢复 。自体骨移植作为当前临床骨缺损治疗的“金标准”，其成骨效果最好，但会对患者造成二次伤害，且不适用于骨量需求较大的患者 。同种异体骨和异种骨移植则存在传播疾病的风险和免疫排斥问题 。因此，人工骨替代材料成为解决上述问题的关键。理想的植骨材料应具备良好的生物相容性、一定的机械强度、适宜的孔隙率、骨引导或骨诱导、可降解等特性 ，传统第 期夏德庚，等：熔融沉积法制备骨组织工程支架的应用进展的骨支架制备工艺较难实现上述特性，尤其在骨支架材料内部孔隙结构的控制方面 。因此，寻求一种新型的骨支架成型技术成为解决临床骨缺损修复的重点。熔融沉积制造（，）是一种增材制造（，）技术，其原理简单、操作方便、成本低，所用材料一般为热塑性材料，如蜡、丙烯腈 丁二烯 苯乙烯（）、聚酰胺（）、聚酯热塑料等 ，由送丝机构以丝状材料供料，打印喷头将材料加热到熔融状态后，挤出沉积在预先设定的位置，随着工作台的降低，新的一层粘合到先前形成的层上，材料在室温下固化，形成 产品模型 。基于 技术在打印产品结构及外形设计方面的优势，科研人员将其与骨组织工程原理相结合，推动了其在骨支架制备方面的进步，使其在一定程度上成为骨支架制造的新“金标准”。本文从支架的材料组成、结构设计、功能修饰方面，分别阐述了 技术制备骨支架的研究进展，总结了其研究成果，并展望了未来发展方向。不同材料骨支架的制备及其特性 技术制备骨支架的材料体系主要为热塑性聚合物材料。其中，人工合成热塑性聚合物材料因良好的生物相容性、易塑形、产量高、绿色环保等常用作骨支架的主体成分，主要包括聚已内酯（）、聚乳酸（）、聚醚醚酮（）和聚乳酸 羟基乙酸共聚物（）等。但该类材料制备出的骨支架强度低、骨诱导能力差，且降解速率不易控制、降解过程中产生的酸性环境可能导致局部发生无菌性炎症 。因此，单一材料通常难以满足骨支架的要求。为克服当前打印材料难以制备出理想的骨支架材料，除对骨支架进行碱处理和涂层 改性外，常采用将聚合物与生物陶瓷（羟基磷灰石（）、磷酸钙（）、生物玻璃（）、双相磷酸钙（）、金属 、壳聚糖（）和纤维素 等进行复合，利用其机械强度高、降解速度快、具有骨诱导作用等优点，制备新型的骨支架材料。图 为 技术常用骨支架材料的总结归纳。支架的组成、相关研究及特性等具体内容汇总见表。图 骨支架材料 生物医学工程研究第 卷表 基于 技术的骨支架组成及特性 组成及处理方法研究类型细胞 动物模型支架特性孔隙率 生物相容性 力学性能 细胞粘附力 成骨能力参考文献 体外体内人骨髓间充质干细胞新西兰白兔股骨远端缺损 体外人骨髓基质细胞 碱处理 涂层体外小鼠骨肉瘤细胞 体外体内小鼠成纤维细胞新西兰白兔股骨远端骨缺损 体外体内人骨髓间充质干细胞大鼠股骨缺损 体外小鼠颅骨前成骨细胞 体外体内新西兰白兔骨髓间充质干细胞兔桡骨缺损 体外体内大鼠骨髓间充质干细胞 大鼠颅骨缺损 体外体内大鼠骨髓基质细胞大鼠股骨后外侧臀大肌肌袋 注：“”代表该指标符合要求；“”代表该指标较差；“”代表文献中未给出相关说明。由表 可知，生物陶瓷和金属等无机材料的添加，改善了原有单一高分子材料的机械性能。相对于不可降解的 而言，、和 等因其可随新骨的形成而逐渐降解，从而无需二次手术，减轻了患者的病痛和经济压力。综合当前研究，体系的复合材料能够兼顾生物相容性、机械性能、细胞粘附力和成骨能力等众多优势，其降解速率也可以通过改变二者的构成比例进行调控。通过优化材料组合和结构设计来提高该体系的成骨性能是极具前景的研究热点，而相对较高的材料成本是其面临的主要问题。不同结构骨支架的制备及其特性 骨支架的仿生多级结构骨支架材料的内部结构与成骨性能和机械性能密切相关，其中最常见的结构为 相交的柱状设计。等 和 等 分别设计出纤维呈 和 交替沉积的骨支架，但与传统的 支架相比，骨支架的降解和骨再生情况并无显著变化。等 以 支架为基础，将层与层之间的纤维设计成存在一定的移位，移位模式下的骨支架虽然压缩模量降低，但其细胞黏附、增殖以及分化能力均有所增强。等 打印出的螺旋形多孔骨支架，将骨支架维持稳定的时间延长为传统支架的两倍，并呈现出关于压缩的各向同性行为。但上述研究中对骨支架的结构设计仍较为单一。天然骨为由皮质骨和松质骨构成的包含血管的分层多级结构，孔隙的大小与骨缺损修复过程中各类细胞的黏附、迁移等生物学行为关系密切 ，因此，对于骨支架多级结构的探索可提高其成骨能力。等 利用 技术制备出 粗纤维作为支架、将熔融电写（，）模式下产生的 超精细纤维填充在支架的孔隙中得到具有分级结构的 支架，与传统骨支架材料相比，细胞粘附与成骨可同时发生在骨支架的表面和内部，成骨性能显著提高。等 将 作为造孔剂与 熔融共混后，制备出骨支架，水溶性 溶解后在骨支架表面形成层级微孔。类似研究还证明，分级结构可提高骨支架材料的生物相容性，增加亲水性，并改善细胞黏附、增殖 。骨支架的血管化结构影响支架成骨能力的另一重要因素是支架内部第 期夏德庚，等：熔融沉积法制备骨组织工程支架的应用进展的血供情况，除将支架负载生长因子、干细胞等以促进血管形成外，对骨支架进行血管化结构设计同样引起了研究者的关注。因此，等 提出了骨支架制备的“血管引导”概念。根据患者颅骨额顶叶内的天然血管通道网络，使用 对其建模后，打印出具有脑膜中动脉前支管腔的骨支架植入大鼠模型，并在其血管网络的近端插入动静脉束。结果显示，支架的血管化和灌注能力提高，在整个支架中有丰富的毛细血管和结缔组织形成，骨支架也因此升级为“游离皮瓣”，而无血管通道设计的对照组仅形成肉芽组织。等 将支架内部的血管状聚乙烯醇（）牺牲模板溶解后形成血管通道，不仅增强了血管网络的形成和支架的成骨能力，还能制造比目前技术更大的组织工程骨。图 列举了上述骨支架的结构类型及其形态，支架的结构、相关研究及特性等具体内容总结见表 。技术构建出的骨支架材料结构相对简单，而通过将 技术与传统支架造孔技术相结合、将 技术与其他增材制造技术相结合，可轻松实现复杂仿生结构骨支架的制备。由表 可知，宏观大孔结构主要影响支架的机械性能，而微观结构主要影响成骨细胞对支架的黏附和成骨能力，同时包含大孔和微孔的跨尺度多级孔道支架的成骨性能最佳。随着血管通道网络在支架内部的成功构建，骨支架移植材料也因此由“死骨移植”方法升级为“活骨移植”，使大尺寸骨缺损的组织工程骨移植修复成为可能。从功能角度分析骨支架植骨术后，术区细菌感染是导致植骨手术失败的主要原因。临床为降低术后感染几率，通常在治疗前后采取全身使用抗生素，但该方式到达局部的药浓度较低，而增大剂量则可能造成耐药性或其它器官损害。因此，修复骨缺损并控制感染仍是骨科手术后的重要研究重要内容 。赵双等 利用氧化铜的抑菌性能对 骨支架进行改性，其原位负载方式使支架表现出更为长效的抗菌能力。同样，等 分别将铜、青铜、银与聚乳酸共混，制备的骨支架不仅具有优良的抗菌性能，还显著提高了机械性能 等 采用半固态挤压和 技术制图 骨支架结构类型 生物医学工程研究第 卷表 结构改进的骨支架及其特性 骨支架结构研究类型细胞 动物模型支架特性孔隙率 生物相容性 力学性能 细胞粘附力 成骨能力参考文献 相交体内兔股骨远端内侧干骺端 相交，层间移位体外人骨肉瘤细胞 螺旋形结构 粗细纤维跨尺度结构体外骨髓间充质干细胞 支架复合血管通道网络结构体内大鼠右腹股沟皮下袋 支架复合内皮化血管通道结构体外人骨髓间充质干细胞 层级微孔体外人骨肉瘤细胞 多种尺寸孔径体外人骨髓间充质干细胞 仿生皮质骨和松质骨结构体外体内小鼠胚胎成骨细胞前体细胞山羊股骨缺损 注：“”代表该指标符合要求；“”代表该指标较差；“”代表文献中未给出相关说明。备原位负载环丙沙星的 复合支架，与传统表面载药支架相比，该支架的药物初始爆发效应降低，表现出呈线性模式的长期缓释行为。与全身给药相比，以较低的载药量即可达到局部有效药物浓度，从而避免全身给药导致的相关副作用。由此可见，技术为骨缺损患者植骨术后的感染预防及治疗提供了一种更为安全有效的策略。功能性支架的组成、相关研究及功能特性等具体内容总结见表 。表 功能性骨支架的组成及特性 组成及处理方法研究类型细胞 动物模型支架特性孔隙率 生物相容性 力学性能 细胞粘附力 成骨能力 抑菌能力参考文献 体外体内大鼠骨髓间充质干细胞大鼠颅骨缺损 注：“”代表该指标符合要求；“”代表该指标较差；“”代表文献中未给出相关说明。原位载药支架可使药物随着支架的降解而缓慢释放，尤其对相对漫长的成骨过程，缓慢释放的促成骨药物可长期发挥其作用。表面载药方法的药物释放周期较短，对于促成骨较为不利，但可以利用此特点在支架表面负载抗炎药物，使其在骨移植术后的短期时间内发挥局部抗炎作用，与支架原位负载促成骨药物相结合，有望使骨支架具备分时段控制释放多种组合药物的能力。但 技术的高温制备条件可能会使部分不耐高温药物的使用受限，如何将此类药物以载药微球的形式负载到已制备完成的支架表面是解决该问题的难点之一。总结及展望 技术与骨组织工程的结合有力地推动了骨组织工程支架材料的研究，使其逐渐向材料组合化、结构仿生化、功能多样化发展，并在体外实验及动物研究中取得了一定成果。但仍有不足之处，如支架的打印精度还有待进一步提高；骨支架与自体骨移植的疗效相比还有一定差距；缺乏相关的临床数据等。后续研究应进一步加快技术研发，解决现有问题，从而使 技术制备的骨支架材料在临床骨缺损修复方面发挥重要作用。第 期夏德庚，等：熔融沉积法制备骨组织工程支架的应用进展参考文献 ，：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：，（）：，：，（）：，（）：刘永财，伍言龙，刘亚雄 熔融挤出增材制造的镁 聚己内酯复合材料的体外降解特性 高分子材料科学与工程，（），（），（）：，（）：，（）：，（，）（），：，：，：，（），（）：，：，：，：，：，：，（）：，：，（），（）：，（）：，生物医学工程研究第 卷 ，（）：，（），（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，：，：赵双，谢凯，郭煜，等 打印聚己内酯 氧化铜支架促成骨及抗菌性能的体外研究 组织工程与重建外科杂志，（）：，（），：，（）：（收稿日期：）