3D打印技術在骨組織支架材料的應用
“組織工程”是20世紀80年代提出的一門新興交叉學科。其基本含義是應用工 程和生命科學的基本原理和技術，在體外構建具有生物功能的人工替代物，用于修復組織缺損，替代失去功能或衰竭的組織，器官部分或全部功能。目前構建的骨組織工程支架還很不完善,在力學性能、降解速度、結構形態、生物活性等方面仍有許多問題亟待解決。隨著骨組織工程及其相關領域研究的深入和進步,骨組織工程支架的研究將會具有突破性的進展。在骨組織工程中，3D打印技術已經起著很重要的作用，應用此技術可構造出任何形狀的物體。
應用傳統方法制作骨組織工程支架取得一定成就，但在支架的三維結構、 力學強度、支架個性化方面不太滿意，通過3D打印技術制作支架的方法有望改變這些不足。對3D打印技術制作骨組織工程支架作一綜述 ，對支架的未來優化進行展望。當前3D打印技術已被應用于工業制造、醫學等方面 。在生物醫學方面，3D打印技術已近被應用 于器官及細胞打印、組織工程支架及假體植入物 、器官模型的制作及手術指導策劃。
1、3D打印技術
3D打印技術是即快速成形技術的一種，它是一種數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。過去其常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，現正逐漸用于一些產品的直接制造。特別是一些高價值應用（比如髖關節或牙齒，或一些飛機零部件）已經有使用這種技術打印而成的零部件。“3D打印技術”意味著這項技術的普及。3D打印技術通常是采用數字技術材料打印機來實現。這種打印機的產量以及銷量在二十一世紀以來就已經得到了極大的增長，其價格也正逐年下降。
2、骨組織
2.1常用的骨組織工程支架材料：
人工骨支架材料可分為兩類，即生物降解和非生物降解型。早期的人工骨支架材料都是非生物降解型的，這類材料有：高聚物（碳素纖維，滌綸，特氟隆），金屬材料（不銹鋼，鈷基合金，鈦合金），生物惰性陶瓷（氧化鋁，氧化鋅，碳化硅），生物活性陶瓷（生物玻璃，羥基磷灰石，磷酸鈣）等。這些材料的特點是機械強度高（耐磨、耐疲功、不變形等，生物惰性（耐酸堿、耐老化、不降解）。但存在二次手術問題，因此人們開始研究使用可生物降解并具有生物活性的材料，這類材料有纖維蛋白凝膠、膠原凝膠、聚乳酸、聚醇酸及其共聚體、聚乳酸和聚羥基酸類、瓊脂糖、殼聚糖和透明質酸等 多糖類。目前研究和使用的骨組織支架材料是降解材料或降解和非降解材料的結合。
2.2理想骨組織支架材料的特征
①生物相容性和表面活性：有利于細胞的黏附，無毒，不致畸，不引起炎癥反應，為細胞的生長提供良好的微環境，能安全用于人體。
②骨傳導性和骨誘導性：具有良好骨傳導性的材料可以更好地控制材料的降解速度，具有良好骨誘導性的支架材料植入人體后有誘導骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化并促進其增殖的潛能。
③合適的孔徑和孔隙率：理想的支架材料孔徑最好與正常骨單位的大小相近(人骨單位的平均大小約為223 μm)，在維持一定的外形和機械強度的前提下，通常要求骨組織工程支架材料的孔隙率應盡可能高，同時孔間具備連通孔隙，這樣有利于細胞的黏附和生長，促進新骨向材料內部的長入，利于營養成分的運輸和代謝產物的排出。
④機械強度和可塑性：材料可被加工成所需的形狀，并且在植入體內后的一定時間內仍可保持其形狀。
3、3D打印技術在構建骨組織支架材料的研究狀況
3D打印技術制作骨組織工程支架的實驗研究 目前可用作骨組織工程支架制作的3D打印技術有熔融層積成型、立體平版印刷、選區激光燒結及3DP技術等。
3.1 熔融層積成型
熔融層積成型技術是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后 ，機器工作臺下降一個高度(即分層厚度)再成型下一層，直至形成整個實體造型。熔融層積成型技術所使用的原料通常為熱縮性高分子，包括{ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等}。
熔融層積成型技術的優勢在于制造簡單、成本低廉，此技術可用不同材料制作不同組織，各解剖結構可分別用不同顏色、類型的材料制成以示區分，但打印出的支架在精度及表面質量方面還不理想，而且高溫可能破壞原材料的化學成分，同時溫度對于熔融層積成型效果影響非常大，成品效果依然不夠穩定，所以在對精度要求較高的快速成型領域較少采用熔融層積成型技術，且該技術不能打印生長因子 、蛋白質 、細胞 ，限制了其在醫學支架方面的進一步應用，耗時較長可達24 h。
3.2立體平板印刷SLA
又稱為光敏液相固化法、光固化成形、立體光刻等，是最早出現的技術最成熟和應用最廣泛的快速原型技術。它是在樹脂槽中盛滿液態光敏樹脂，使其在激光束或紫外線光點的照射下快速固化。這種工藝方法適用于制造中小型工作，能直接得到塑料產品。它還能代替蠟模制作澆鑄模具，以及作為金屬噴涂模，環氧樹脂模和其它軟模的母模，是目前較為成熟的快速原型工藝。
近年來單純以光過敏樹脂為材料通過立體平板印刷法打印骨組織工程支架已有較多的報道。通過此法制備的支架具有人松質骨的力學強度，并可促成骨細胞增殖及粘附。研究表明，用混合材料制作的支架比單純的光過敏樹脂制作的支架在力學強度、組織相融性、成骨性方面更有優勢。Kim等以聚富馬酸二羥基丙脂/羥基磷灰石為原料，通過此技術制備了復合支架材料、復合支架材料孔隙結構、孔隙相通。孔隙大小及力學強度比單純的聚富馬酸二羥丙脂更有優勢，且加入羥基磷灰石能進一步促進胚胎成骨細胞前體細胞在支架上的黏附和增殖。同樣以磷酸酯寡聚體-雙甲基丙烯酸酯/羥基磷灰石為原料，利用立體平板印刷技術制成的復合材料更能促進骨形成及材料骨的結合。
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