解析基于生物相容性材料的3D打印骨骼修復(fù)技術(shù)的研究與應(yīng)用(2)
生物相容性材料并不一定需要做到完全降解消失，其中醫(yī)用高分子材料中非降解材料的使用使得骨骼修復(fù)手術(shù)有了新的方向。目前具有生物相容性的非生物降解高分子材料包括聚芳醚酮、聚乙烯醇、超高摩爾質(zhì)量聚乙烯，以及它們與納米羥基磷灰石的復(fù)合材料。目前非可降解醫(yī)用塑料在骨骼修復(fù)中的研究較少，劉瑞等采用碳纖維增強型聚芳醚酮植入下頜骨，并研究了材料的生物相容性和生物活性。最后發(fā)現(xiàn)與聚醚醚酮純樹脂相比，碳纖維增強型聚醚醚酮不僅有優(yōu)秀的力學(xué)性能，而且植入后免疫反應(yīng)小，具有良好的生物相容性及生物活性。雖然只是動物實驗，但是這項實驗足以驗證非可降解高分子材料在骨骼修復(fù)手術(shù)中應(yīng)用的潛力。
與單一組分或結(jié)構(gòu)的生物材料相比，復(fù)合生物材料的性能具有可調(diào)性。由于單一生物材料用3D打印制成產(chǎn)品會存在一定的不足，將兩種或者兩種以上的生物材料有機復(fù)合在一起，復(fù)合材料的各組分既保持性能的相對獨立性，又互相取長補短，優(yōu)化配置，大大改善了單一材料應(yīng)用中存在的不足；但是對于理化性質(zhì)差異較大的兩種材料，如何利用打印的方法將它們很好地融合在一起，發(fā)揮它們組合的最大優(yōu)勢也是目前研究的熱點之一。
1.2生物陶瓷材料
生物陶瓷材料與生物組織有著優(yōu)異的親和性，并具有良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性。其中一些具有高強度、低密度、耐腐蝕的生物陶瓷常被用于醫(yī)學(xué)骨代替物或者輔助支架。雖然生物陶瓷在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已經(jīng)可以追溯到18世紀(jì)初期，但是自身材料的硬且脆的特點，使得加工難度很大，從而導(dǎo)致醫(yī)療成本高昂難以普及。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展成熟，部分生物陶瓷可通過3D打印的方式進行加工，不僅成型周期和成本都有所下降，對于其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度更是有了巨大的提升。以往生物陶瓷的應(yīng)用主要集中在牙齒、骨骼緊固螺栓等簡單細(xì)小的零件上，而3D打印技術(shù)帶來的變化使得生物陶瓷材料更為廣泛地應(yīng)用在下頜骨、髖關(guān)節(jié)、股骨等復(fù)雜的大型骨骼代替物。生物陶瓷材料主要用于整形外科、牙科和脊柱外科等領(lǐng)域，是一種非常具有前景的骨骼修復(fù)材料。
目前生物陶瓷材料主要有磷酸鈣、雙相磷酸鈣和硅酸鈣/β－磷酸三鈣等。生物陶瓷除了用于制造骨骼代替物，還可以通過3D打印制造骨骼組織支架。其中，羥基磷灰石做的支架能夠促進神經(jīng)鞘干細(xì)胞分化成骨細(xì)胞，雙相磷酸鈣支架中β－磷酸三鈣則有促進細(xì)胞骨性分化的作用，硅酸鈣/β－磷酸三鈣支架中的硅元素的釋放有利于促進骨樣細(xì)胞形成骨因子，進而促使細(xì)胞的骨性分化。從大量研究文獻中可知，生物陶瓷材料普遍具有與松質(zhì)骨十分相近的抗壓強度和骨誘導(dǎo)性，不過，生物陶瓷材料由于采用3D打印，因此需要在高溫環(huán)境下進行，如果過程中對成型制品進行活性涂層或生物藥物的涂覆，會因為高溫失去活性。另一個缺陷在于一般生物陶瓷材料力學(xué)性較脆，抗剪切性差，所以目前3D打印的生物陶瓷支架還停留在硬組織上的應(yīng)用。
早期使用熔融噴射3D打印技術(shù)時，硅酸鈣/β－磷酸三鈣液化后沒有凝固的能力，并且其與水混合會出現(xiàn)影響噴射效果的小晶粒，使得在熔融噴射3D打 印中難以實現(xiàn)該生物陶瓷材料的應(yīng)用。袁景等采用一定濃度的檸檬酸與β－磷酸三鈣混合，發(fā)現(xiàn)在特定溫度下其β－磷酸三鈣可變成均勻的口香糖狀噴涂態(tài)，并能夠自行凝固，這使得β－磷酸三鈣可作為熔融噴射3D打印的基材，為3D打印制備骨組織支架做出了開創(chuàng)式的貢獻。隨后對于生物陶瓷在其他3D打印技術(shù)中的應(yīng)用也有不少研究，黃志紅等分別利用光敏樹脂選擇性固化（SLA）、粉末材料選擇性燒結(jié)（SLS）、絲狀材料選擇性熔覆（FDM）、箔材疊層實體制作（LOM）等3D技術(shù)，將羥基磷灰石或磷酸三鈣用于制造人工骨，對比各種3D打印技術(shù)對于該材料的成型工藝的差異性，總結(jié)發(fā)現(xiàn)骨組織支架制造較為適合采用SLS，而對于低成本的替代人工骨制造則采用FDM比較合理。
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