楊少龍 汪小迪 從云飛

摘 要：由于外傷、腫瘤、手術(shù)等原因造成的骨缺損需要修復(fù)重建，移植骨的來(lái)源受到各種條件的限制。羥基磷灰石、多聚乳酸、聚醚醚酮都是代替天然骨的良好材料，多重材料復(fù)合，可以發(fā)揮材料各自的優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)可以利用多種骨替代材料復(fù)合物，制造出接近天然骨的復(fù)雜、精細(xì)的空間結(jié)構(gòu)，是骨缺損的理想修復(fù)材料。

關(guān)鍵詞：人工骨；3D打??；羥基磷灰石；多聚乳酸；聚醚醚酮

中圖分類號(hào)：R602 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）19-0188-02

1 人工骨簡(jiǎn)介

由于外傷、腫瘤、手術(shù)等原因造成的骨缺損需要修復(fù)重建，自體骨移植面臨著骨源限制、免疫排斥等問(wèn)題，探索人工骨的制備，非常的必要?，F(xiàn)在臨床使用的人工骨在可降解性、生物活性、組織相容性方面，都有一定的缺陷。[1]

人體的骨骼由骨密質(zhì)和骨松質(zhì)構(gòu)成：骨密質(zhì)質(zhì)地堅(jiān)硬，有約10%的孔隙率；骨松質(zhì)位于骨的內(nèi)部，成海綿狀，骨小梁交織成網(wǎng)狀，孔隙率約50～90%。[2]人的骨骼的主要成分為羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HA），天然骨中HA片狀晶體與礦化的膠原纖維規(guī)則排列，是由骨細(xì)胞精細(xì)控制成長(zhǎng)的HA晶體與有機(jī)物的合成，形成的生物陶瓷高/分子復(fù)合材料是人工骨在納米尺度難以模仿的。[3]

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在制造人工骨這樣具有較高孔隙率的復(fù)雜三維構(gòu)型，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)可以根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，精確制造三維立體結(jié)構(gòu)，越接近自然骨的空間結(jié)構(gòu)，越有利于骨細(xì)胞的遷移，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流通與骨的修復(fù)。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

HA的成分、結(jié)構(gòu)與天然骨一致，生物相容性好，無(wú)毒副作用，可以為骨細(xì)胞提供理想的生活環(huán)境。HA顆粒越細(xì)，生物活性越強(qiáng)，植入體內(nèi)后鈣和磷會(huì)降解吸收，被廣泛用作骨填充材料。[4]

多聚乳酸（polylactic acid，PLA），具有很高的生物安全性，在體內(nèi)可以被分解吸收，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能，可用來(lái)制作替代不銹鋼的骨科內(nèi)固定鋼釘、鋼板，藥物緩解包裝劑、人造皮膚、免拆型手術(shù)縫合線等，是經(jīng)過(guò)美國(guó)FDA、中國(guó)CFDA認(rèn)證的可植入高分子材料，是良好的骨缺損填充材料，為骨細(xì)胞和血管的生長(zhǎng)提供支架。

聚醚醚酮（Polyetheretherketone，PEEK），質(zhì)量輕、無(wú)毒、耐腐蝕，可經(jīng)受134℃下超過(guò)3000次高壓滅菌，是目前最接近人體骨骼的材料。[5]

單一的材料往往都有各自的缺陷，比如PLA在體內(nèi)可以降解生成乳酸，是糖的代謝產(chǎn)物，完全代謝后生成二氧化碳和水，但是降解后周圍的PH值會(huì)降低，不利于細(xì)胞的生存。PLA親水性差，細(xì)胞吸附力較弱，可以起引起無(wú)菌性炎癥。[6]HA與PLA相混合，可以代償PLA分解引起的PH值降低，可以避免無(wú)菌性炎癥的產(chǎn)生，HA也可以延緩人工骨的降解時(shí)間。[7]

雖然目前還沒(méi)有一種材料可以完全滿足人工骨的要求，但是可以通過(guò)幾種材料不同組分、比例的復(fù)合，從而克服各自的缺點(diǎn)，使材料的性能達(dá)到最優(yōu)。

3D打印人工骨的材料：皮質(zhì)骨材料為分子量300000的PLA或PEEK；骨松質(zhì)按PLA：HA=4：5的比例混合，PLA的分子量為90000，HA的顆粒直徑為80nm。將分子量為300000的PLA，或PEEK加熱至熔融態(tài)，將PLA和HA的混合物加熱至固液混合態(tài)，應(yīng)用“分層疊加”的3D打印原理，經(jīng)相應(yīng)的3D打印噴頭，分別將不同的材料噴涂到皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨位置，個(gè)性化制備出與患者骨缺損相匹配的數(shù)字化人工骨。[8]

2.2 試驗(yàn)方法

將患者的CT/MRI等.dicom格式的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics軟件，構(gòu)建病人骨骼的三維數(shù)字模型，設(shè)計(jì)孔隙結(jié)構(gòu)（圖1），導(dǎo)出數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成STL格式的文件，經(jīng)MedCAD軟件設(shè)計(jì)出0.2mm的片層，導(dǎo)入3D打印機(jī)。設(shè)置好打印參數(shù)，層厚0.2mm，填充密度20%，輪廓絲寬0.3mm，支撐與實(shí)體間隙0.65mm，噴頭溫度330℃，工作臺(tái)溫度：80℃，45°角常規(guī)實(shí)體內(nèi)部填充，收縮因子1.0032。

選用熔融沉積造型術(shù)（Fused depositionmodeling，F(xiàn)DM），打印完畢后，清除掉多余的支撐材料。3D打印出的人工骨，皮質(zhì)骨的孔隙率為10%；松質(zhì)骨的孔隙率為70，孔隙大小為140μm，具有與人類骨結(jié)構(gòu)相似的孔隙率、孔徑大小和力學(xué)性能。圖2所示為我們?cè)O(shè)計(jì)的直徑為30mm，高度為30mm的圓柱體，孔徑直徑設(shè)置為500μm，3D打印的PLA人工骨型材。[9]

打印出的人工骨，可以和間充質(zhì)干細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)，掃描電鏡觀察細(xì)胞在人工骨上的粘附生長(zhǎng)情況。還可以用CCK-8法檢測(cè)人工骨的浸提液和純DMEM培養(yǎng)液的對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞毒性的不同，這樣來(lái)驗(yàn)證人工骨的生物安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

3D打印的人工骨具備個(gè)性化的外形設(shè)計(jì)，可以與患者骨缺損的部分進(jìn)行完美的匹配。[10]不同的材料組分和比例的優(yōu)化，可以將降解速度、生物相容性、結(jié)構(gòu)硬度等各種材料的屬性達(dá)到最佳的組合。計(jì)算機(jī)空間結(jié)構(gòu)和3D打印技術(shù)的應(yīng)用，使人工骨具有較好的孔隙率、孔隙直徑、分層結(jié)構(gòu)，從而更接近天然骨的結(jié)構(gòu)，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)更好的交換，骨細(xì)胞更好的生長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]張海峰，杜子婧，姜聞博，等.3D打印PLA-HA復(fù)合材料與骨髓基質(zhì)細(xì)胞的相容性研究[J].組織工程與重建外科雜志，2015，（6）：349-353.

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