陳藝菲，鄭賽男，闕林

1 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院，成都 610041；2 成都大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院；3 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院頭頸腫瘤外科

頜面創(chuàng)傷、頜面腫瘤切除術(shù)及頜面腫瘤放化療往往會(huì)造成頜面部不同程度骨缺損，嚴(yán)重影響患者言語(yǔ)和咀嚼功能、顏面美觀以及心理健康［1］。因此，頜面骨缺損修復(fù)重建對(duì)提高患者生活質(zhì)量具有重要意義。3D 打印技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，利用生物材料與細(xì)胞、生物活性因子結(jié)合打印缺損組織，能夠快速、精確地復(fù)制和重建缺損組織或器官［2］，在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著生物醫(yī)學(xué)工程不斷發(fā)展，3D 打印技術(shù)逐漸被用于骨組織修復(fù)重建中，并成為一種新的頜面骨缺損修復(fù)重建方法。在3D 打印骨組織工程支架中，打印耗材尤為重要，利用單一材料打印的骨組織工程支架在性能上往往存在局限性，而由多種材料組成的復(fù)合材料能夠充分發(fā)揮材料間的互補(bǔ)作用，逐漸成為骨組織工程支架的首選打印耗材［3］。本文結(jié)合文獻(xiàn)就3D 打印復(fù)合材料骨組織工程支架及其在頜面骨再生中的研究進(jìn)展作一綜述。

1 3D打印復(fù)合材料骨組織工程支架概述

骨組織工程是以成骨細(xì)胞、骨髓基質(zhì)干細(xì)胞或軟骨細(xì)胞等為種子細(xì)胞，經(jīng)體外培養(yǎng)擴(kuò)增后，種植于具有良好生物相容性、生物可降解性的骨組織工程支架上，骨組織工程支架承擔(dān)細(xì)胞外基質(zhì)作用，從而為骨再生提供良好的環(huán)境［4］。理想的骨組織工程支架應(yīng)具備以下特征［4］：①有利于種子細(xì)胞附著、生長(zhǎng)和分化，具有良好的生物相容性，并且不會(huì)對(duì)周?chē)M織產(chǎn)生有害影響；②有利于血管重建，能夠通過(guò)骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)與宿主骨整合，可修復(fù)不規(guī)則形狀缺損并承受機(jī)械載荷，并且具有生物降解潛力，能夠逐漸被新生骨所取代；③可儲(chǔ)存和消毒。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，3D 打印逐步用于骨組織工程支架制作，不僅簡(jiǎn)化了骨組織工程支架的設(shè)計(jì)流程，還提高了骨組織工程支架的制造效率和精確度。然而，可用于3D 打印的單一材料很難制備出理想的骨組織工程支架。如羥基磷灰石（HA）、磷酸三鈣（TCP）、磷酸鎂（MgP）、生物玻璃（BG）等生物陶瓷材料，雖然生物相容性較好，但脆性較大，力學(xué)性能較差［5］；聚乙烯醇、聚乙二醇等人工合成聚合材料及金屬氧化物、合金等金屬材料，雖然具有良好的機(jī)械性能和可打印性能，但其生物相容性相對(duì)較差［6-7］。由兩種及以上材料組成的復(fù)合材料，如不同種類(lèi)生物陶瓷、不同種類(lèi)聚合材料、金屬與生物陶瓷、聚合材料與生物陶瓷等，綜合了各種材料的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，解決了單一材料的性能局限，用于3D打印有利于細(xì)胞定植和血管生長(zhǎng)，并且具有良好的生物力學(xué)性能，能更大程度地滿足骨組織工程支架需求。

2 3D打印復(fù)合材料骨組織工程支架類(lèi)型

2.1 3D打印不同種類(lèi)生物陶瓷骨組織工程支架 生物陶瓷具有良好的骨傳導(dǎo)能力，是構(gòu)建骨組織工程支架最常用的材料之一，不同生物陶瓷組成的復(fù)合材料能夠協(xié)同促進(jìn)骨再生。LI 等［8］將納米HA（nHA）或脫蛋白牛骨與膠原蛋白混合，制備了兩種用于3D 打印的生物墨水，這兩種HA 復(fù)合材料能夠促進(jìn)人骨髓基質(zhì)細(xì)胞增殖和分化，是很有前途的3D打印骨組織工程支架的候選材料。含HA 和TCP 不同比例的雙相磷酸鈣（BCP）具有出色的骨重塑能力。有研究通過(guò)碳酸鈣、TCP 與磷酸反應(yīng)生成了一種復(fù)雜形狀的BCP 支架，該支架的尺寸精度達(dá)到96.5%，最小宏觀孔徑為300 μm［9］。體外研究表明，與純TCP支架比較，BCP支架均具有細(xì)胞相容性，能夠增強(qiáng)細(xì)胞活力和增殖能力［9］。由多種生物陶瓷組成的骨組織工程支架除了能協(xié)同增強(qiáng)骨再生能力外，在機(jī)械性能上也有所突破。AN等［10］在研究二氧化鋯-HA 復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料中二氧化鋯的質(zhì)量百分比從50%增加到100%時(shí)，該復(fù)合材料支架的抗壓強(qiáng)度從2.5 MPa 增加至13.8 MPa，或能成為3D打印骨組織工程支架材料。

2.2 3D打印不同種類(lèi)聚合材料骨組織工程支架 聚合材料能夠提供合適的孔徑和孔隙率及機(jī)械性能的骨組織工程支架，但基于人工合成聚合材料的生物活性較低［6］，結(jié)合天然和合成聚合材料則具備良好的生物相容性，相對(duì)更適合骨組織工程支架構(gòu)建。MORRIS 等［11］利用天然材料殼聚糖和人工合成聚乙二醇雙丙烯酸酯制備了一種生物相容性樹(shù)脂，其制備的骨組織工程支架孔隙相互連接，均質(zhì)，標(biāo)稱(chēng)孔徑為50 μm，彈性模量為400 kPa；這種生物相容性樹(shù)脂的可印刷性通過(guò)打印一個(gè)耳朵的閾值MR 圖像得到證實(shí)，能夠提供最真實(shí)的形狀再現(xiàn)，可用于各種復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)再塑。張彬等［12］利用冷凍干燥和理化交聯(lián)技術(shù)制備復(fù)合脫細(xì)胞軟骨細(xì)胞外基質(zhì)（DACECM）定向支架，然后將DACECM 漿料與PLGA 復(fù)合制備PLGA/DACECM 取向支架；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PLGA 支架表面光滑，孔洞大；DACECM 定向支架表面粗糙，為孔隙疏松、相互連接的三維結(jié)構(gòu)；PLGA/DACECM 取向支架表面粗糙，大孔和小孔相互連接，構(gòu)成一個(gè)垂直的三維結(jié)構(gòu)，相較于兩種單一材料支架更有利于細(xì)胞生長(zhǎng)定植和成骨分化。PLGA/DACECM 取向支架無(wú)細(xì)胞毒性，能夠保障細(xì)胞存活率，具有良好的理化性能和生物相容性，有望成為一種非常有前途的骨組織工程支架材料。

2.3 3D 打印金屬與生物陶瓷復(fù)合材料骨組織工程支架 生物陶瓷雖然具有良好的生物相容性，但單一組分的生物陶瓷脆性較高［5］，通過(guò)摻雜強(qiáng)度較高的金屬則能在一定程度上提高支架承受載荷的能力［7］。TARAFDER 等［13］在TCP支架中加入了氧化鍶和氧化鎂進(jìn)行3D打印和微波燒結(jié)，構(gòu)建了具有多尺度孔隙和良好壓縮強(qiáng)度的復(fù)合支架，在加速成骨過(guò)程同時(shí)能夠維持其機(jī)械性能。除了能提高骨組織的抗壓能力外，一些金屬與生物陶瓷組成的復(fù)合材料還能在促進(jìn)成骨同時(shí)發(fā)揮其他有益的生物學(xué)效應(yīng)。DANG 等［14］將3D 打印技術(shù)與溶熱法結(jié)合制備了CuFeSe2納米晶體功能化支架，并且賦予了BG 支架優(yōu)異的光熱性能。BG-CuFeSe2支架不僅可促進(jìn)兔骨髓基質(zhì)細(xì)胞成骨基因表達(dá)，刺激骨缺損中新骨形成，還能在體外有效燒蝕骨腫瘤Saos-2細(xì)胞并在體內(nèi)顯著抑制骨腫瘤生長(zhǎng)。結(jié)果提示，BG-CuFeSe2支架或許可用于骨腫瘤切除術(shù)后骨缺損修復(fù)。

2.4 3D 打印聚合材料與生物陶瓷復(fù)合材料骨組織工程支架 聚合材料與生物陶瓷構(gòu)成的復(fù)合材料綜合了二者優(yōu)點(diǎn)，具有高度模擬骨基質(zhì)潛能，被廣泛用于3D 打印骨組織工程支架［15］。SEIDENSTUECKER等［16］研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合BG和β-TCP粉末的結(jié)合可增加3D 打印骨組織工程支架的孔隙率，在促進(jìn)細(xì)胞定植及其增殖、分化的同時(shí)增加其骨傳導(dǎo)效果。BIAN等［17］引入了3D 打印技術(shù)中的立體光刻法來(lái)制備骨軟骨-TCP/膠原支架，這種仿生支架是由陶瓷立體蝕刻、凝膠澆注和Ⅰ型膠原蛋白構(gòu)成，其孔徑為700～900 μm、孔隙率為50%～65%、抗壓強(qiáng)度為12 MPa；與傳統(tǒng)技術(shù)相比，陶瓷立體蝕刻在獲得骨組織工程應(yīng)用的理想支架方面表現(xiàn)良好。ZHANG等［18］采用3D打印制備了孔徑為500 μm、孔隙率為60%的聚乳酸/羥基磷灰石（PLA/HA）復(fù)合材料支架，該復(fù)合材料支架具有良好的生物相容性，可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）增殖和向成骨細(xì)胞分化。SINGH 等［19］通過(guò)一個(gè)溫度控制的3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)由生物復(fù)合材料明膠/TCP/絲素蛋白組成的復(fù)合支架，該復(fù)合支架與明膠相比有更高的細(xì)胞增殖率和更強(qiáng)的機(jī)械性能。由此可見(jiàn)，3D打印不同種類(lèi)聚合材料與生物陶瓷組成的復(fù)合材料骨組織工程支架，其骨形成能力和機(jī)械性能潛力更大，具有更廣闊的研究前景。

3 3D 打印復(fù)合材料骨組織工程支架在頜面骨再生中的應(yīng)用

近年來(lái)，利用3D打印復(fù)合材料構(gòu)建頜面骨并成功實(shí)施體內(nèi)外的研究層出不窮。LIN 等［20］采用熔融沉積成型3D 打印技術(shù)制備了含不同比例聚己內(nèi)酯（PCL）和MgP 的頜面骨組織工程支架，并用于兔頜面骨缺損模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在MgP含量為20%的PCL/MgP 支架中細(xì)胞附著更多、更均勻，細(xì)胞增殖率更高，ALP活性更強(qiáng)，證實(shí)該支架具有較強(qiáng)的成骨誘導(dǎo)分化能力，在體內(nèi)修復(fù)兔頜面骨8周后，支架周?chē)写罅啃鹿切纬?，在修?fù)兔頜面骨缺損效果方面顯著優(yōu)于PCL 支架和其他濃度MgP 支架。XU 等［21］利用3D 打印技術(shù)制備了納米硅酸鹽功能化聚己內(nèi)酯（PCL/LAP）支架，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PCL/LAP 具有良好的生物相容性，并能顯著提高BMSCs 活性和增殖能力，植入顱骨缺損小鼠12周后，PCL/LAP支架區(qū)域可見(jiàn)明顯的新骨形成，并且這種復(fù)合材料的生物安全性較高，可作為口腔頜面骨缺損修復(fù)重建的一種骨代替物。HALLMAN 等［22］制備了的PLGA/HA/β-TCP（PHT）復(fù)合支架，該復(fù)合支架能夠與牙槽骨缺損區(qū)和牙體種植所需的鈦螺釘完美匹配，楊氏模量為（67.18±7.40）MPa，壓縮應(yīng)力為（4.85±0.39）MPa，力學(xué)性能良好；同時(shí)，該復(fù)合支架還表現(xiàn)出優(yōu)異的體外細(xì)胞生物相容性和適當(dāng)?shù)捏w內(nèi)骨傳導(dǎo)性，為牙槽骨缺損修復(fù)提供了一種新的策略。由此可見(jiàn)，3D 打印復(fù)合材料在頜面骨缺損修復(fù)重建中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。但目前3D 打印頜面骨組織工程支架的復(fù)合材料種類(lèi)較少且大部分復(fù)合材料缺乏臨床試驗(yàn)。因此，用于修復(fù)頜面骨缺損的3D打印復(fù)合材料骨組織工程支架仍需進(jìn)一步探索。

4 3D 打印復(fù)合材料骨組織工程支架在骨再生中的發(fā)展前景

3D 打印復(fù)合材料骨組織工程支架在骨再生中的發(fā)展前景十分廣闊，但目前尚處于對(duì)復(fù)合材料的組成以及支架上裝載細(xì)胞種類(lèi)的探索之中。

4.1 對(duì)復(fù)合材料組成的探索 HA/脫鈣骨基質(zhì)復(fù)合支架為骨再生和血管浸潤(rùn)提供了有利環(huán)境［22］。納米氧化鋅作為骨修復(fù)植入材料的新型涂層，將大大降低術(shù)后感染的發(fā)生率，未來(lái)在骨組織工程支架材料方面將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景［23］。在3D打印復(fù)合材料支架上添加磷酸鈣涂層能夠顯著改善骨性宿主組織與牙種植體表面的界面結(jié)合［24］，在頜骨、牙槽骨重建及后續(xù)牙齒種植修復(fù)中具有潛在的應(yīng)用前景。骨涎蛋白涂層至復(fù)合材料多孔支架用于促進(jìn)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)和牙種植體表面的骨整合，對(duì)于修復(fù)聯(lián)合牙齒、牙列缺失的頜面骨組織缺損具有較高的應(yīng)用價(jià)值［25］。有研究以負(fù)載碳酸鈣活性填料的預(yù)陶瓷樹(shù)脂制備的3D打印錐形支架，在骨組織工程中具有廣闊的應(yīng)用前景［26］。DANG等［14］將半導(dǎo)體CuFeSe2納米晶體的光熱性能與生物活性玻璃支架的成骨活性結(jié)合起來(lái)，制備出具有骨腫瘤治療和骨再生雙重功能的新型生物材料，該生物材料在骨腫瘤中的應(yīng)用前景廣闊。

4.2 對(duì)支架上裝載細(xì)胞種類(lèi)的探索 除了常用的BMSCs 外，骨組織工程支架中裝載的種子細(xì)胞種類(lèi)也逐漸豐富。牙源性干細(xì)胞因其獲取便捷性和成骨分化潛能成為種子細(xì)胞的新選擇。裝載人牙周膜干細(xì)胞的nHA/殼聚糖/明膠三維多孔支架在豬頜骨缺損模型中展現(xiàn)出了良好的骨再生能力，為牙源性干細(xì)胞在修復(fù)大段頜骨缺損中的臨床應(yīng)用提供了依據(jù)［27］。人羊膜間充質(zhì)干細(xì)胞（hAMSCs）是一類(lèi)兼具免疫調(diào)節(jié)、抗炎、血管再生等能力的種子細(xì)胞，裝載hAMSCs 的異種干細(xì)胞β-TCP 支架在大鼠顱骨缺損模型中無(wú)明顯免疫反應(yīng)，具有啟動(dòng)內(nèi)源性血管化骨再生能力，同時(shí)還能加速牙種植體的骨整合。這類(lèi)易于獲取的干細(xì)胞具有在修復(fù)頜面骨缺損的同時(shí)降低免疫反應(yīng)、保障移植安全的潛能［28］。在組織學(xué)過(guò)程中，細(xì)胞荷載為細(xì)胞-支架復(fù)合物或重構(gòu)組織移植物增強(qiáng)細(xì)胞功能，有利于形成細(xì)胞外基質(zhì)和血管系統(tǒng)。在研發(fā)多孔復(fù)合材料的同時(shí)對(duì)荷載細(xì)胞種類(lèi)進(jìn)行探索，尋找易于獲取并具有不同輔助功能的荷載細(xì)胞，從而為骨再生提供更有利的條件。

總之，隨著3D打印復(fù)合材料骨組織工程支架的不斷探索，可用于構(gòu)建骨組織工程支架的復(fù)合材料種類(lèi)逐漸豐富，這些材料具有良好的生物相容性和機(jī)械性能，并能保持細(xì)胞活性和增殖能力，從而促進(jìn)骨整合與骨再生，在頜面骨缺損修復(fù)重建中具有廣闊的應(yīng)用前景。