劉宸希，康紅軍，吳金珠，曹寧寧，吳曉宏

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工與化學(xué)學(xué)院 新能源轉(zhuǎn)換與儲存關(guān)鍵材料技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗室，哈爾濱 150001)

3D打印又稱增材制造(AM)，是一種以三維(3D)模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，制造具有多級結(jié)構(gòu)或復(fù)雜幾何形狀產(chǎn)品的技術(shù)[1]。作為一種快速發(fā)展且極具潛力的新型成型技術(shù)，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)、航天、汽車和食品領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用。例如，3D打印膝關(guān)節(jié)半月板、心臟瓣膜，嫦娥四號衛(wèi)星上搭載了多個3D打印鋁合金構(gòu)件，3D打印低速電動車，3D打印糖果、巧克力、壽司等。此外，在文化遺產(chǎn)保護(hù)和修復(fù)領(lǐng)域，也有3D打印技術(shù)的身影。例如，英國梅得斯通博物館的研究人員利用3D打印技術(shù)重塑了2500年前木乃伊的臉部；來自哈佛大學(xué)和牛津大學(xué)的研究人員將3D打印技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)被ISIS組織摧毀的貝爾神廟等。

盡管3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍很廣，但是目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用較多。1993年，麻省理工學(xué)院(MIT)獲得基于噴墨打印原理的3D打印技術(shù)專利，此后MIT一直走在生物3D打印技術(shù)的前沿，領(lǐng)軍人物是Robert Langer教授。國外在此領(lǐng)域較為出色的研究人員還有蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Andre R.Studart教授，哈佛大學(xué)的Jennifer A.Lewis教授，加州大學(xué)洛杉磯分校的Ali Khademhosseini教授和康涅狄格大學(xué)的Savas Tasoglu教授等。

我國在生物3D打印領(lǐng)域的研究起步較晚，但是發(fā)展十分迅猛。目前以清華大學(xué)顏永年教授和劉冬生教授，西安交通大學(xué)盧秉桓院士，上海交通大學(xué)王成燾教授，浙江大學(xué)賀永教授和四川大學(xué)康裕建教授等為主要代表的科研團(tuán)隊，推動了我國醫(yī)療領(lǐng)域3D打印技術(shù)的發(fā)展。本綜述主要介紹了3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的研究進(jìn)展，系統(tǒng)展示了可用于3D打印醫(yī)用材料以及3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。最后，我們總結(jié)了3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。

1 3D打印技術(shù)原理及分類

1986年，Charles Hull[2]在立體光刻工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)了3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)的核心原理是“分層制造，逐層疊加”，打印過程主要分為5個部分：一是設(shè)計，利用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件(SolidWorks，AutoCAD和ZBrush等)設(shè)計數(shù)字3D打印對象；二是保存，將設(shè)計好的3D打印對象以3D打印機(jī)可讀文件格式保存，常見的通用文件格式有立體光刻(STL)文件和虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(VRML)；三是導(dǎo)入，將保存好的文件導(dǎo)入到3D打印機(jī)中；四是打印，針對原材料特性以及產(chǎn)品要求，選擇合適的絲材，設(shè)置打印溫度、速度和壓力等相關(guān)參數(shù)；五是后處理，打印結(jié)束后對產(chǎn)品表面進(jìn)行處理。

作為快速成型技術(shù)，一臺3D打印機(jī)可以完成整個制造過程，工藝更為簡化。3D打印技術(shù)適于小批量、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)，傳統(tǒng)制造方式則專注于生產(chǎn)大規(guī)模、需要量產(chǎn)的部件，因此3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)可優(yōu)勢互補(bǔ)，共同推進(jìn)現(xiàn)代制造業(yè)向智能化、數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化制造轉(zhuǎn)型。近年來，3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)已形成包括擠出成型、材料燒結(jié)和材料黏合等多種類3D打印技術(shù)，如表1[3-11]所示。

表1 不同種類的3D打印技術(shù)[3-11]Table 1 3D printing technology based on different principles[3-11]

2 3D打印用醫(yī)用材料

雖然人體具有強(qiáng)大的再生能力，但是不同組織的再生能力并不相同。細(xì)胞的再生能力受到組織類型、生長激素和物理尺寸等因素的影響，一旦組織損傷超過其自修復(fù)限度，就需要外部支持來幫助其完成修復(fù)過程。一般將外界干涉支持組織再生的方法稱為組織工程(TE)[12]。構(gòu)建組織工程人工器官需要三個要素，即種子細(xì)胞、支架材料和細(xì)胞生長因子，而支架材料作為組織工程的三要素之一，需要具有良好的生物相容性和一定的機(jī)械強(qiáng)度，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會影響細(xì)胞活性和細(xì)胞增殖。患者的病情各異，需要根據(jù)具體情況定制不同結(jié)構(gòu)的支架，傳統(tǒng)的制造方法難以滿足這種個性化定制需求。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為患者帶來了福音，它可以提供個性化定制服務(wù)，制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的支架，并大幅提高支架的性能。用于3D打印的醫(yī)用材料需要具備良好的生物相容性、可控的降解速率以及形態(tài)學(xué)上與體內(nèi)組織相似等特性。根據(jù)材料的化學(xué)性質(zhì)，用于3D打印的醫(yī)用材料大致分為金屬、陶瓷和聚合物等。

2.1 金屬基生物材料

金屬基生物材料主要包括鈦(Ti)基金屬生物材料和鈷(Co)基金屬生物材料。Ti基金屬生物材料因具有優(yōu)異的生物相容性、抗疲勞性、耐腐蝕性和高比強(qiáng)度等特性，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[13]。

Ti基金屬生物材料作為承重植入物時需要與人體組織之間建立完美的結(jié)合。前期研究表明，隨著時間的推移，Ti基金屬生物材料可能被堅硬的組織層包圍，限制其發(fā)揮作用；此外由于應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，使得傳統(tǒng)的Ti64植入物出現(xiàn)與人骨機(jī)械性能不匹配的狀況[14]。利用3D打印技術(shù)對Ti基金屬生物材料進(jìn)行表面改性不僅能夠改善其表面磨損性能，還能制造多孔和分級結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)骨整合。Zhao等[15]利用電子束熔融(electron beam melting，EBM)技術(shù)制備分級Ti-6Al-4V網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，獲得了具有低密度、高疲勞強(qiáng)度和可生物吸收等優(yōu)點(diǎn)的“硬-軟”梯度細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可優(yōu)化組織生長，并在特定區(qū)域承受不同程度的機(jī)械應(yīng)力，其性能均優(yōu)于均質(zhì)金屬細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

盡管3D打印鈦基金屬植入物是應(yīng)用最廣泛的植入物之一，但其楊氏模量與骨骼的楊氏模量不匹配所引起的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)是目前鈦基金屬材料存在的主要問題之一。未來，仍需探索更多的鈦基金屬材料處理策略，開發(fā)出生物相容性好和綜合性能較優(yōu)的新型醫(yī)用鈦基金屬材料，進(jìn)而有效地增強(qiáng)3D打印支架的骨整合能力。

鈷基金屬生物材料強(qiáng)度較高且耐磨，在醫(yī)療領(lǐng)域主要用于制備承重植入物、牙科植入物[16]以及整形外科重建手術(shù)中的輔助工具[17]等。Co基金屬生物材料的高剛度特性易引發(fā)應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，因而限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。為減少CoCr合金的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，Shah等[18]利用EBM技術(shù)制備了具有互連開孔結(jié)構(gòu)的CoCr植入物，并將其植入骨缺損的綿羊體內(nèi)。結(jié)果表明CoCr植入物的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在較高的骨細(xì)胞密度，證實(shí)了多孔CoCr構(gòu)建體中骨向內(nèi)生長的可能性。

對CoCr合金進(jìn)行表面改性處理可增強(qiáng)其耐腐蝕性能，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍。Wang等[19]利用激光拋光技術(shù)對3D打印CoCr合金支架進(jìn)行表面處理，處理后的CoCr合金組件耐腐蝕性得到顯著提高，可防止由其制備的牙科植入物在口腔中被腐蝕，進(jìn)而釋放毒性物質(zhì)[20]。這一探索對于制備在口腔修復(fù)學(xué)中應(yīng)用的牙科植入物提供了新思路。

目前，CoCr合金是應(yīng)用較多的鈷基金屬材料之一，其主要用于制備牙科植入物。在未來，需要探索利用不同的加工方法，或是在CoCr支架中摻雜其他物質(zhì)，來減少CoCr合金支架應(yīng)力屏蔽效應(yīng)的可能性，進(jìn)而促進(jìn)骨整合過程，拓寬其應(yīng)用范圍。此外，還需尋找更為適合的表面處理方法以避免CoCr合金被腐蝕后釋放有毒物質(zhì)，以防止其對人體造成傷害。

2.2 生物陶瓷材料

生物陶瓷材料在3D打印應(yīng)用中的歷史相對短一些，限制其應(yīng)用的主要原因在于生物陶瓷的加工比較困難。生物陶瓷材料一般用于制備牙齒和骨骼植入物，利用3D打印技術(shù)制造精度更高的生物陶瓷牙齒和骨骼植入物，可滿足患者對骨骼和牙齒更換的特殊需求。目前使用較多的生物陶瓷材料主要是磷酸鈣(CaP)和生物活性玻璃(BG)。

CaP陶瓷材料，包括偏磷酸鈣、正磷酸鈣和焦磷酸鈣[21]等。CaP與天然骨和牙齒的組成相似，具有優(yōu)異的生物相容性，是使用范圍較廣的生物陶瓷材料。Carrel等[22]通過3D打印技術(shù)制備了多孔塊狀磷酸三鈣和羥基磷灰石，將其填充到鈦半球中，植入綿羊體內(nèi)。取出后測試其中的新生骨量，數(shù)值是填充顆粒牛骨和顆粒磷酸三鈣的鈦半球的1.8倍。與現(xiàn)有骨替代物相比，在綿羊顱骨模型植入多孔塊狀磷酸三鈣和羥基磷灰石后可增強(qiáng)垂直骨生長，其受控的多孔結(jié)構(gòu)可促使骨床上生成更多的骨，表明這種支架可有效促進(jìn)骨合成過程。

此外，陶瓷基復(fù)合材料植入物引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。Jakus等[23]在羥基磷灰石中摻雜聚己內(nèi)酯(或聚乳酸)制得了一種新型生物材料——超彈性“骨”(HB)(圖1)。實(shí)驗證明，3D打印的HB脊柱融合模型不會引起免疫反應(yīng)，可與周圍組織快速整合并支持新骨生長。HB克服了以往骨科植入物易引起免疫反應(yīng)或其他不良生物學(xué)反應(yīng)的缺陷，且在結(jié)合3D打印技術(shù)后植入體內(nèi)時能夠準(zhǔn)確定位，減少了手術(shù)操作時間。

圖1 3D打印HB脊柱融合模型和實(shí)物圖[23]Fig.1 3D printed HB spinal fusion model and products[23]

生物活性玻璃(BG)是一種以Na2O，CaO，SiO2和P2O5等為基本成分的硅酸鹽玻璃，因其具有更為優(yōu)越的力學(xué)性能，可有效地促進(jìn)體外和體內(nèi)成骨[24-26]。在臨床上，BG主要用于制備整形外科和頜面外科的假體，BG顆?？商娲鷤鹘y(tǒng)的骨移植來治療慢性骨髓炎、軟組織缺損[27]和傷口[28]等。Zhang等[29]以BG和鍶(Sr)為原料，利用3D打印技術(shù)制備了含Sr中孔生物活性玻璃(Sr-MBG)支架。Sr-MBG支架具有均勻的相互連接的孔、高孔隙率和良好的磷灰石形成能力，可刺激成骨細(xì)胞增殖分化。

對MBG支架進(jìn)行表面改性可進(jìn)一步增強(qiáng)其生物學(xué)性能。Zhang等[30]制備了含有分級孔結(jié)構(gòu)和功能性表面涂層的MBG-β-TCP支架，具有高抗壓強(qiáng)度和優(yōu)異的磷灰石礦化能力。MBG-β-TCP支架可增強(qiáng)體內(nèi)新骨形成能力和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的附著，使得血管生成基因表達(dá)顯著增強(qiáng)。表明利用MBG納米層修飾的3D打印支架可有效改善支架的生物學(xué)性能，這是一種改善支架內(nèi)骨形成情況的新策略。

雖然BG具有良好的生物活性和骨傳導(dǎo)性，但是BG固有的脆性限制了其在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[31]。通過在BG材料中摻入其他可生物降解的聚合物來制備BG復(fù)合材料，可有效改善其性能，滿足更為廣闊的應(yīng)用需求。

2.3 天然聚合物

天然聚合物，例如，殼聚糖、聚乳酸和透明質(zhì)酸等，具有良好的生物相容性、生物降解性，應(yīng)用于生物體內(nèi)時可避免免疫原性反應(yīng)[32]，故被廣泛用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)中。

2.3.1 殼聚糖

殼聚糖是一種天然聚合物，具有良好的生物降解性、生物相容性和可再生性[33]。殼聚糖鏈上的氨基質(zhì)子化后具有可溶性，可溶性的殼聚糖應(yīng)用比較廣泛，例如，制備TE支架、生物傳感器和藥物輸送[34]等。

在以往的研究中，已經(jīng)證實(shí)炎癥反應(yīng)在組織修復(fù)中十分關(guān)鍵，惡性的炎癥反應(yīng)可能導(dǎo)致人體對植入物產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)。因此，在選擇植入物時，需要將可能的炎癥反應(yīng)考慮在內(nèi)。Almeida等[35]通過3D打印技術(shù)制造出一種殼聚糖支架，來探究人體單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞在支架上的炎癥反應(yīng)。實(shí)驗結(jié)果顯示殼聚糖支架具有更大的孔隙結(jié)構(gòu)，可顯著地促進(jìn)促炎癥細(xì)胞因子的分泌，進(jìn)而抑制一些可能的炎癥反應(yīng)，表明在制造植入物支架時選擇具有適合的表面特性和幾何形狀的生物材料是至關(guān)重要的。

殼聚糖本身優(yōu)異的生物學(xué)性質(zhì)，使其不僅可用于制備植入物支架，還可作為抗菌劑對其他支架進(jìn)行表面改性處理以避免可能的炎癥反應(yīng)。Mania等[36]在聚乳酸中摻雜殼聚糖制得了可用于熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)工藝的3D打印抗菌長絲。通過與不含殼聚糖的支架進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，支架本身并不殺菌或抑菌，但是引入殼聚糖后，殼聚糖對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性均十分顯著。因此，利用殼聚糖對3D打印支架進(jìn)行表面改性將是一種有效的抑菌手段?；跉ぞ厶橇己玫纳锾匦院蛢?yōu)異的抗菌性能[37]，其被植入人體后可避免可能的炎癥反應(yīng)，但殼聚糖支架的力學(xué)強(qiáng)度并不理想，因而需要探索殼聚糖與其他物質(zhì)復(fù)合制備組織工程支架的方法，以期滿足更多的醫(yī)療需求。

2.3.2 聚乳酸

聚乳酸(PLA)是一種天然聚合物，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、可降解性和生物相容性，廣泛應(yīng)用于組織工程、藥物輸送和傷口愈合[38]。PLA可通過酯鍵水解降解，無需酶催化，且降解產(chǎn)物乳酸是人體代謝循環(huán)中存在的物質(zhì)[39]，使得PLA成為3D生物打印領(lǐng)域極具潛力的原料之一。

通過控制PLA支架的結(jié)構(gòu)和可控孔隙形狀等相關(guān)參數(shù)可制備出符合性能要求的骨科植入物，圖2列舉了一些3D打印產(chǎn)品的微觀圖和實(shí)物圖。Fairag等[40]利用3D打印技術(shù)設(shè)計并制造了具有不同孔徑的微孔PLA支架。使用原代人成骨細(xì)胞比較支架上細(xì)胞生長、活性和骨樣組織形成情況(圖2(a)),實(shí)驗結(jié)果顯示，成骨細(xì)胞的增殖、代謝活性和骨基質(zhì)蛋白質(zhì)的產(chǎn)生情況均十分良好，表明PLA支架本身也能作為骨替代物來修復(fù)大段骨缺損。可定制PLA骨螺栓推入骨缺損處，從而允許骨髓干細(xì)胞滲透、黏附、增殖并形成新骨。

聚乳酸因具有優(yōu)異的可生物降解吸收性能而備受關(guān)注，但是其與細(xì)胞的親和性較低，是限制其在組織工程中應(yīng)用的主要因素之一。因此需要尋找合適的改性方法，改善聚乳酸材料表面的親水性，使其成為一種理想的組織工程材料。

2.3.3 透明質(zhì)酸

透明質(zhì)酸(HA)是一種廣泛存在于結(jié)締組織、上皮組織和神經(jīng)組織中的天然糖胺聚糖，因其具有天然黏彈性、生物降解性和生物相容性，被認(rèn)為是一種理想的骨組織工程支架材料[41]。

Lam等[42]以基于甲基丙烯酸化透明質(zhì)酸(HAMA)的生物墨水(bioink)為原料，利用立體光固化成型(stereo lithography appearance，SLA)技術(shù)制備了軟骨細(xì)胞密度不同的軟骨模型(圖2(b))。研究顯示軟骨分化模式受細(xì)胞密度的影響，高細(xì)胞密度可增強(qiáng)軟骨典型的帶狀分割，形成細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的軟骨細(xì)胞主要分布在表面區(qū)域，但在靠近載體膜的更深區(qū)域中也有少量分布。HAMA打印的體外軟骨模型，可用于關(guān)節(jié)軟骨缺損的治療。

透明質(zhì)酸也可作為一種輔助工具來幫助實(shí)現(xiàn)預(yù)期治療效果。例如，制備功能性生物鏈以響應(yīng)藥物治療過程。Mazzocchi等[43]將HA與膠原蛋白Ⅰ的復(fù)合產(chǎn)物用于打印含有原代人肝細(xì)胞和肝星狀細(xì)胞的3D肝組織構(gòu)建體，結(jié)果證明甲基丙烯酸化的Ⅰ型膠原和硫醇化HA可用于打印簡單的生物鏈，支持肝細(xì)胞的生長，使其能夠存活兩周并適當(dāng)?shù)仨憫?yīng)藥物治療，這一發(fā)現(xiàn)有望將其用于肝病的治療。

盡管在3D打印醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對HA的探索起步比較晚，但是HA相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展十分迅速。HA參與傷口自愈合過程的特性，賦予了相關(guān)支架潛在的抑菌能力。此外，通過交聯(lián)反應(yīng)，與其他物質(zhì)復(fù)合等可進(jìn)一步改善其性能，進(jìn)而拓寬其應(yīng)用范圍。

2.4 合成聚合物

3D打印的醫(yī)學(xué)支架最終將應(yīng)用于人體，因而生物相容性是一種材料是否適用于植入體的基本要求。此外，植入材料必須無細(xì)胞毒性、誘變性、致癌性，且不致引發(fā)過敏。目前可用于醫(yī)療領(lǐng)域的合成聚合物種類較少，主要集中于水凝膠、聚己內(nèi)酯和聚醚醚酮等具有生物相容性的合成聚合物。

2.4.1 聚己內(nèi)酯

聚己內(nèi)酯(PCL)是一種常見的聚合物，具有優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，由于酯鍵水解，PCL在人體體液中可緩慢降解，完全降解產(chǎn)物為二氧化碳和水[44]。此外，由于其優(yōu)異的加工性能，在3D打印領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

Kawai等[45]以PCL和磷酸三鈣為原料，利用3D打印技術(shù)制備了功能梯度支架(FGS)，所得FGS具有可控的孔隙率、生物降解性和一定的機(jī)械強(qiáng)度。將FGS植入到兔股骨頸和頭部鉆孔的骨隧道中，植入8周后取出，顯示FGS支架上新骨向內(nèi)生長，有含骨髓的骨形成，驗證了FGS支架用于治療早期股骨頭壞死的可能性。

此外，科研人員對PCL復(fù)合材料高度關(guān)注。例如，Ho等[46]利用3D打印技術(shù)制備了孔結(jié)構(gòu)受控的Biodentine(BD，主要成分為硅酸鈣)/PCL復(fù)合支架，BD/PCL支架具有良好的磷灰石形成能力，并且能夠支持人牙髓細(xì)胞的增殖和分化，證明其是一種有潛力的牙科植入物。

PCL優(yōu)異的生物學(xué)性能、無毒的降解產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是仍存在一些缺陷。例如，PCL的熔點(diǎn)和分解溫度較低，一般的加工方法并不適用，而且PCL的強(qiáng)度較低，所制備的支架力學(xué)性能不足。因此，需要探索不同的改性方法來提高PCL材料的生物學(xué)性能，使其更好地滿足醫(yī)療需求。

2.4.2 水凝膠

水凝膠的高含水量和力學(xué)特征與天然細(xì)胞外基質(zhì)相似，因此水凝膠支架可用于模擬體內(nèi)細(xì)胞環(huán)境，幫助建立細(xì)胞間、細(xì)胞與胞外基質(zhì)間的聯(lián)系[47]。在基于擠出水凝膠的3D打印成型方法中，對材料黏度的要求比較嚴(yán)格。擠出時，材料需要較低的黏度以便擠出，而沉積時，材料的黏度要足夠高以防止材料在凝膠時分散，且在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，水凝膠的力學(xué)性能不能隨時間改變?，F(xiàn)有的3D打印技術(shù)雖然可以通過調(diào)整材料來達(dá)到這些要求，但是這一過程往往是以犧牲細(xì)胞的活性為代價的[48]。鑒于此，學(xué)者們對水凝膠進(jìn)行了許多嘗試，以期打破現(xiàn)有局限。

Wang等[49]在透明質(zhì)酸水凝膠中添加了腙化物，制備了由動態(tài)共價化學(xué)腙鍵組裝的透明質(zhì)酸水凝膠，這種水凝膠具有剪切稀化和自修復(fù)特性[50]，意味著它可以滿足3D打印不同階段對水凝膠黏度的要求，且在打印完成后可長時間定型。將細(xì)胞包封在水凝膠中后打印，結(jié)果顯示支架中細(xì)胞的存活率與打印前細(xì)胞的存活率相當(dāng)(圖2(c))，證明3D打印構(gòu)建體中細(xì)胞的活性與非打印構(gòu)建體中細(xì)胞的活性沒有差異，突破了以往3D打印水凝膠支架力學(xué)性能與細(xì)胞活性不能兼得的限制。在水凝膠中添加促進(jìn)細(xì)胞增殖分化的物質(zhì)，可制得功能性生物墨水，用于組織損傷修復(fù)過程。Faramarzi等[51]開發(fā)了一種基于海藻酸鹽的水凝膠，可與富含血小板的血漿(PRP)結(jié)合形成生物墨水，使用此生物墨水打印的支架可控制PRP相關(guān)生長因子的釋放以增強(qiáng)血管形成，并促進(jìn)干細(xì)胞遷移(圖2(d))，用于體內(nèi)受損組織的治療。

圖2 3D打印產(chǎn)品的微觀圖和實(shí)物圖(a)無細(xì)胞、成骨細(xì)胞和MSC-OST接種支架的SEM圖像[40]；(b)軟骨模型構(gòu)建過程[42]；(c)3D打印水凝膠支架在空氣和模擬體液(PBS)中的狀態(tài)[49]；(d)生物墨水打印的三種不同形狀支架實(shí)物圖[51]Fig.2 Microscopic and physical pictures of 3D printing products(a)SEM images of cell-free,osteoblasts and MSC-OST inoculated scaffolds[40];(b)cartilage model construction process [42];(c)state of 3D printed hydrogel scaffolds in air and simulated body fluids (PBS)[49];(d)photos of three scaffolds with different shapes printed by using bioink [51]

目前，有關(guān)水凝膠的研究主要是向水凝膠中摻雜生長因子和干細(xì)胞等以制成功能性生物墨水，用于構(gòu)建人體器官模型和修復(fù)組織缺陷。隨著對水凝膠制備方法及其在醫(yī)療領(lǐng)域探索的不斷深入，可對外界的物理、化學(xué)刺激做出快速反應(yīng)的智能水凝膠將是未來的發(fā)展趨勢。此外，還需探索水凝膠與其他材料復(fù)合的可能性，以進(jìn)一步滿足特定器官對于材料成分和結(jié)構(gòu)仿真方面的特殊要求。

2.4.3 聚醚醚酮

聚醚醚酮(PEEK)是一種有機(jī)熱塑性聚合物，具有良好的生物相容性、耐熱性、耐腐蝕性等，被稱為“21世紀(jì)最有前途的材料”。與基于金屬材料的植入物相比，PEEK的彈性模量和人骨的彈性模量更接近，能夠滿足人體正常的生理需要。

盡管PEEK具有與人體相適應(yīng)的特性，但是PEEK支架是表面化學(xué)惰性的，為了更好的治療效果常需要對其進(jìn)行表面處理。Oladapo等[52]利用3D打印技術(shù)制備基于PEEK、羥基磷灰石和氧化石墨烯(PEEK-HAP-GO)支架以調(diào)節(jié)支架內(nèi)部的孔隙率，實(shí)驗結(jié)果顯示通過對支架內(nèi)部孔隙率的調(diào)整，可有效改善PEEK-HAP-GO支架與體內(nèi)原有骨的界面整合，提高PEEK植入物的表面生物活性。

目前，3D打印的PEEK相關(guān)產(chǎn)品已成功應(yīng)用于臨床，如椎間植入物、胸骨和血管外支架。在未來幾年中，其將對工程、醫(yī)療、牙科等領(lǐng)域產(chǎn)生更大的影響。

3 3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印作為一種快速興起的技術(shù)，在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要經(jīng)歷了以下幾個階段：第一階段是制備患者特定解剖模型、解剖學(xué)操縱輔助工具[53]；第二階段是制備個性化的特異性植入物、在植入物上加載活性物質(zhì)(例如生長因子和藥物)[54]；第三階段是制造骨骼、軟骨、韌帶、半月板和其他結(jié)構(gòu)[55]；第四階段是組織組件與單獨(dú)打印的植入物組裝在一起發(fā)揮作用[56]。目前在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印技術(shù)主要用于制備骨科植入物、皮膚代用品、神經(jīng)修復(fù)、打印卵巢和藥物釋放等方面。

3.1 骨科

3D打印技術(shù)在骨科的臨床應(yīng)用上有很多成功案例。2018年，中國的醫(yī)生們已經(jīng)成功實(shí)施了首例3D打印肱骨近端假體手術(shù)，3D打印截骨工具輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，3D打印人工頸椎椎體植入術(shù)等手術(shù)，為多名患者帶來新的希望。本節(jié)將列舉一些未來有希望在臨床上進(jìn)行應(yīng)用的案例。

類固醇相關(guān)性骨壞死(SAON)是一種骨缺血性壞死，早期治療的主要方法是利用髓芯減壓術(shù)去除壞死骨以促進(jìn)修復(fù)，后續(xù)用骨移植來填充骨缺損以避免隨后的關(guān)節(jié)塌陷。Lai等[57]開發(fā)了一種聚(乳酸-乙醇酸)/β-磷酸鈣/淫羊藿苷(PTI)支架，PTI支架具有優(yōu)異的生物降解性、生物相容性和成骨能力，可以提供機(jī)械支撐，改善血管生成和調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化過程，這種新型的PTI復(fù)合支架為SAON患者帶來了福音。

椎間融合器是實(shí)現(xiàn)脊柱相鄰椎間隙融合的主要植入物之一，其安全性和有效性直接影響相鄰椎體骨融合的效果。Li等[58]以骨骼成熟的綿羊頸椎為融合模型，通過3D打印技術(shù)制造了多孔鈦合金支架，在成熟綿羊上進(jìn)行了骨融合實(shí)驗，結(jié)果顯示3D打印鈦合金支架的剛度高于PEEK支架，與利用傳統(tǒng)工藝制作的鈦合金支架相比，應(yīng)力屏蔽效應(yīng)明顯降低。取出后，3D打印的鈦合金支架內(nèi)部形成了連續(xù)的、緊密相連的骨組織，證明3D打印鈦?zhàn)甸g融合器具有良好的生物相容性，可促進(jìn)骨向構(gòu)建體內(nèi)部生長。

目前，3D打印技術(shù)在骨科方面的應(yīng)用主要集中在骨科支架制備上。未來，3D打印的骨科支架性能將會得到進(jìn)一步提升，更多的功能性骨科支架將被開發(fā)。

3.2 皮膚

皮膚是身體對外部環(huán)境的屏障，對生物體的生存意義重大[59]。皮膚替代品作為促進(jìn)傷口愈合的重要工具，長期以來被廣泛用于患者傷口的治療[60]。利用傳統(tǒng)方法制造的皮膚替代品存在許多問題，例如，仿生學(xué)性能不足、生產(chǎn)成本高、尺寸單一、制備耗時長等[61]。因而人們急需一種可以實(shí)現(xiàn)低成本、標(biāo)準(zhǔn)化制造皮膚替代品的技術(shù)，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了可行的方案。

典型的組織工程皮膚構(gòu)建體缺乏皮膚的復(fù)雜特征。例如，皮膚色素沉著、毛囊甚至汗腺[62]。Ng等[63]利用來自正常人皮膚組織的三種不同的原代皮膚細(xì)胞：角質(zhì)形成細(xì)胞(KCs)、黑素細(xì)胞(MCs)和成纖維細(xì)胞(FBs)進(jìn)行實(shí)驗，探究了制造具有均勻皮膚色素沉著的3D體外著色人體皮膚構(gòu)建體的可行性。實(shí)驗結(jié)果顯示，在3D生物打印的人皮膚構(gòu)建體中存在發(fā)育良好的角質(zhì)形成細(xì)胞。這是黑色素轉(zhuǎn)移過程中必需的細(xì)胞，而且根據(jù)對色素的追蹤，發(fā)現(xiàn)其可在構(gòu)建體上均勻分布。

3D打印皮膚構(gòu)建體為皮膚缺陷或皮膚損傷患者的治療提供了一種有效的解決方案，且3D體外有色人體皮膚構(gòu)建體，可用于潛在的毒理學(xué)測試和基礎(chǔ)細(xì)胞生物學(xué)研究。隨著研究的深入，3D打印皮膚構(gòu)建體或許可以在更多的方面幫助患者。

3.3 外周神經(jīng)修復(fù)

神經(jīng)導(dǎo)管可以連接兩個神經(jīng)末梢，引導(dǎo)軸突再生，為施萬細(xì)胞的聚集和增殖提供營養(yǎng)環(huán)境[64]。想要制造具有優(yōu)良性能的神經(jīng)導(dǎo)管需要考慮兩個問題：一是原料選擇，二是表面改性和支架制造。制備的神經(jīng)導(dǎo)管應(yīng)滿足以下要求，一是可連接缺損的神經(jīng)，二是可為軸突再生提供穩(wěn)定的環(huán)境保障，三是在成功將受損神經(jīng)連接后，神經(jīng)導(dǎo)管可有效降解，為神經(jīng)進(jìn)一步生長提供空間。

功能性神經(jīng)修復(fù)支架可在給予神經(jīng)恢復(fù)空間的同時，釋放相關(guān)的藥物以加速修復(fù)過程。Tao等[65]制備了含藥物的3D打印水凝膠導(dǎo)管，不僅為軸突伸長提供物理微環(huán)境，還可促進(jìn)神經(jīng)再生。這種功能性支架可有效促進(jìn)坐骨神經(jīng)損傷的形態(tài)學(xué)、組織病理學(xué)和體內(nèi)功能的恢復(fù)，這是一種有前景的自體移植物，未來有望在臨床中得到廣泛應(yīng)用。

目前3D打印技術(shù)在神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域上的應(yīng)用相對較少，但這是一個前景十分廣闊的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)治療手段治標(biāo)不治本的弊端，通過細(xì)胞不斷增殖促進(jìn)神經(jīng)突觸再生，有望恢復(fù)受損神經(jīng)的功能。

3.4 3D打印卵巢

卵巢位于女性盆腔內(nèi)，主要功能是產(chǎn)生和排出卵細(xì)胞，分泌性激素，以促進(jìn)女性性征發(fā)育并維持其正?；顒印Ｈ袈殉渤霈F(xiàn)問題，會導(dǎo)致女性不孕，并且影響患者的健康。

Laronda等[66]以水凝膠為原料，利用3D打印技術(shù)制得了具有不同幾何形狀孔隙的微孔水凝膠支架，分別探究了支架對卵巢卵泡細(xì)胞的支持情況。實(shí)驗結(jié)果顯示，隨著支架內(nèi)相互作用的增多，卵泡細(xì)胞擴(kuò)散受限并且存活率增加，支架變得高度血管化。另外，在沒有使用外源性血管生成因子情況下，生物假體卵巢在植入1周后即變得血管化。隨后研究人員將其植入卵巢缺陷的小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其卵巢功能完全恢復(fù)，且通過自然交配生產(chǎn)了幼崽。

3D打印女性卵巢旨在幫助成年婦女恢復(fù)產(chǎn)生雌性激素和生育的能力，3D打印卵巢目前還停留在實(shí)驗室階段，要想將其真正的應(yīng)用于人體，還需解決血管分布等相關(guān)問題。

3.5 藥物釋放

3D打印片劑能夠?qū)崿F(xiàn)藥物的可控釋放，患者可根據(jù)身體狀況，靈活改變藥物攝入量。而且在狹窄治療指數(shù)藥物使用上，3D打印技術(shù)提供了一種制造包含精確劑量藥物片劑的方法，可降低劑量變化和用藥錯誤帶來的潛在風(fēng)險。

目前可直接以藥物為原料進(jìn)行3D打印，可避免因載體不穩(wěn)定性和不定載藥量對治療效果產(chǎn)生的影響。Kadry等[67]以羥丙基甲基纖維素和地爾硫卓(模型藥物)為原料制得了3D打印機(jī)用長絲，隨后打印得到的片劑以口服形式向大鼠給藥，通過跟蹤藥物，準(zhǔn)確繪制了藥物釋放曲線。

Pere等[68]利用3D打印技術(shù)制備了用于透皮輸送胰島素的聚合物微針貼片，該微針貼片以木糖醇作為載體來保持胰島素的完整性和穩(wěn)定性，并加快其釋放速率。跟蹤研究結(jié)果，無論如何設(shè)計微針，胰島素均可在30 min內(nèi)迅速釋放且未被破壞，證明3D打印技術(shù)可用于制造具有生物相容性的微針貼片。

3D打印的微針貼片與傳統(tǒng)注射胰島素方式相比，可減輕患者痛苦，便于攜帶，并且胰島素的釋放速率可控?；颊呖舍槍Ξ?dāng)天身體狀況，靈活改變胰島素攝入量。此外，透皮微針是直接將藥物釋放到皮下脂肪中，避免了口服給藥過程可能引起的副作用，可應(yīng)用到激素類藥物輸送中，以避免由此引發(fā)的肥胖問題。未來3D打印透皮微針貼片或許可在更多的疾病治療上幫助患者。

3D打印技術(shù)也可用于制備口腔崩解片劑(ODT)，ODT在與唾液或口腔中的少量水接觸后即可實(shí)現(xiàn)藥物吸收，增強(qiáng)人體對藥物的吸收度。Li等[69]利用3D打印技術(shù)在較低溫度、無溶劑的情況下制備了速釋葛根素片(圖3)，通過對打印片劑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對藥物溶解速率的控制，且采用水溶性載體聚乙二醇來增強(qiáng)藥物溶解性?？朔藗鹘y(tǒng)方法制備葛根素片溶解性差，生物利用度低的缺陷。

圖3 3D打印技術(shù)制備速釋葛根素片的過程[69]Fig.3 Process flow of rapid release puerarin tablets prepared by 3D printing technology[69]

3D打印的口腔崩解片劑，可以調(diào)節(jié)其內(nèi)部空隙大小，個性化給藥，減少患者痛苦。同時也可以解決在部分特殊情況下無法獲得足夠飲用水服藥的問題。未來，會有更多的藥物應(yīng)用到3D打印口腔崩解片劑中。

4 未來發(fā)展趨勢

近年來，3D打印技術(shù)已成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對一些需要植入物移植的疾病防治起到了關(guān)鍵性的作用，私人化定制的特點(diǎn)使得其能夠更貼近患者的需求，為人體組織與植入物之間建立良好紐帶提供堅實(shí)基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)的植入物制造工藝，3D打印技術(shù)具有諸如速度更快、成本更低、生物相容性更好和炎癥反應(yīng)更小等顯著優(yōu)勢。盡管3D打印的出現(xiàn)極大地改變了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及其他行業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀，但是3D打印仍然存在一些問題。

3D成型植入物是靜態(tài)的、無生命的。故將植入物移植到體內(nèi)，其并不能隨著內(nèi)環(huán)境的變化而進(jìn)行相關(guān)的適應(yīng)性調(diào)整，因而無法達(dá)到理想的治療效果；3D打印的細(xì)胞相關(guān)產(chǎn)品不能根據(jù)外界刺激進(jìn)行相應(yīng)分化，且常規(guī)3D打印過程會對細(xì)胞活性產(chǎn)生一定影響。盡管目前也有相關(guān)研究顯示在水凝膠中添加腙化物可以不影響其中包封的細(xì)胞活性，但是目前這種探索僅進(jìn)行了體外實(shí)驗。

綜合3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀可知，限制3D打印技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要因素是3D打印材料。目前使用的固態(tài)醫(yī)用材料主要來源于對金屬基材料、水凝膠、磷酸鈣等已有材料的復(fù)合改性。這些傳統(tǒng)固態(tài)材料3D打印產(chǎn)品的特點(diǎn)是一次成型，幾乎不會因為環(huán)境變化而改變。液態(tài)材料生物墨水是一種自定義材料，可根據(jù)產(chǎn)品需要添加相關(guān)的生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)等以滿足細(xì)胞增殖分化所需。然而人體內(nèi)的環(huán)境較為復(fù)雜，許多反應(yīng)機(jī)制尚不明確，現(xiàn)有的生物墨水雖然能夠打印出組織、器官，但并不能用于人體移植，仍需更多的探索和嘗試。

基于此，4D打印技術(shù)應(yīng)勢而生。最初，4D打印被認(rèn)為是“3D打印+時間”，隨著研究的不斷深入，4D打印的定義逐步完善，目前普遍認(rèn)可的理論是：當(dāng)3D打印結(jié)構(gòu)受到預(yù)定刺激時，它的屬性和功能會隨時間變化。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常見的刺激是溫度、水和磁場。利用可根據(jù)外界刺激進(jìn)行調(diào)整的生物打印材料，4D打印可以制造出具有“活性”且結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的，與天然組織結(jié)構(gòu)非常相似的工程化組織結(jié)構(gòu)。

4D打印技術(shù)在繼承了3D打印技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時，彌補(bǔ)了現(xiàn)有3D打印的一些缺陷。例如，4D打印的血管內(nèi)腔涂層內(nèi)皮細(xì)胞膜可以減少血栓形成，防止血管堵塞；4D打印藥物輸送系統(tǒng)可根據(jù)內(nèi)環(huán)境的pH值和溫度變化改變藥物封裝和釋放過程；4D打印的智能響應(yīng)水凝膠可根據(jù)響應(yīng)性動態(tài)重新配置結(jié)構(gòu)且對細(xì)胞活性沒有影響。在未來，4D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會有更為廣闊的應(yīng)用，解決組織工程和藥物遞送等領(lǐng)域的難題。