Three-dimensional printing (3DP), also known as additive manufacturing, rapid prototyping technology, free-forming technology, etc., is based on the principle of discrete-stacking, using computer-assisted layering and superposition molding techniques. Material is added layer by layer to form a 3D solid. Since the concept of 3D printing technology was first proposed by Charles W. Hull in 1986, 3D printing has penetrated into all walks of life and led innovation, resulting in global manufacturing due to its unique advantages in high precision, personalized manufacturing and complex shape construction. Industry change. Biological 3D printing is a cross-application of 3D printing technology in the field of biomedicine, which has important research significance and application prospects. 3D printing technology can be used to create standard models, as well as tailor-made surgical stents for patients. The patient’s bone defect is scanned by medical imaging techniques such as computed tomography (CT) or nuclear magnetic resonance (MRI) to obtain the desired stent model, which is then printed using a three-dimensional printer. This is difficult to achieve with traditional molding techniques. In recent years, 3D printing technology has been widely used in the medical field, including craniofacial transplantation, crown restoration, prosthetic devices, medical equipment, surgical models, organ printing, drug delivery models, bone tissue engineering stents, etc. [1]. 3D printing technology has attracted wide attention from researchers due to its tailorability, structural and pore controllability, and the ability to composite multiple materials. This trend has also inspired many inventions with breakthrough treatments and devices.

生物材料是否可以打印與所使用的3D打印機有很大關(guān)系。不同的打印機有不同的材料要求。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使用的主要打印機分為四種類型：光固化立體印刷技術(shù)，熔融沉積印刷技術(shù)，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和直接漿料擠出技術(shù)。

熔融沉積和直接漿料擠出技術(shù)是制備骨組織工程支架的兩種常用方法。一些直接印刷的漿料是與水或低沸點溶劑（二氯甲烷（DCM），二甲基亞砜（DMSO））混合的聚合物溶液，有些是在擠出后迅速蒸發(fā)的聚合物溶液，或者某些水凝膠在擠出后仍保持其原始結(jié)構(gòu)。通過三維印刷形成的涂層可以通過觸變行為，溫度感應(yīng)或擠出后的交聯(lián)來保持形狀；用于熔融沉積和直接印刷；在XY平面上的分辨率可以高達25微米，并且該層厚度為200-500微米[2]。通常，在打印長的無支撐或尖銳模型時，這兩種方法都存在問題，因為長絲的強度不足以立即支撐自身，因此，絲線會松弛或完全塌陷。為了解決這個問題，有時在打印完成后，在打印過程中添加填充材料，將其溶解在溶劑或在高溫下煅燒。

顆粒熔融3D打印技術(shù)已廣泛用于工業(yè)原型制作中，包括選擇性激光燒結(jié)沉積技術(shù)和顆粒粘附技術(shù)，該技術(shù)不僅可打印聚合物，陶瓷，金屬及其復(fù)合材料，而且還賦予它們獨特或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。選擇性激光燒結(jié)使用具有特定方向的激光將聚合物或金屬顆粒帶到其熔點以上，從而將顆粒熔融在一起。根據(jù)計算機模型將激光束分層，然后從頂部熔化顆粒，然后重復(fù)此步驟以獲得最終結(jié)果[3]。選擇性激光技術(shù)的制造速度較慢，成本較高，并且需要使用大量材料，但是其在單個機床上形成多種材料的能力仍然使它在許多制造領(lǐng)域大受打擊。顆粒粘結(jié)技術(shù)也稱為非定向激光燒結(jié)技術(shù)，其主要原理類似于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。然而，與粒子的激光熔化不同，粒子粘結(jié)技術(shù)使用液體粘合劑溶液來粘結(jié)粒子，然后通過高溫煅燒獲得三維固體。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和顆粒粘附技術(shù)已用于硬組織工程中，例如整形外科或口腔外科。

立體光刻法是通過可光聚合的液態(tài)聚合物形成紫外光或激光以形成單個剛性聚合物膜的過程。聚合后，將基材降低到溶液中，以便新的樹脂可以在印刷表面上流動并在上面聚合。在所有印刷技術(shù)中，立體光刻技術(shù)的分辨率最高，傳統(tǒng)的立體光刻技術(shù)的分辨率達到25微米，而微型立體光刻技術(shù)和高精度立體光刻技術(shù)的分辨率為1微米[4]。然而，由于立體光刻，它只能在紫外光下交聯(lián)，擴展的后成型性能，缺乏適當?shù)臋C械性能，樹脂容易在末端被堵塞，最重要的是缺少可用于立體光刻的相關(guān)生物相。 。電容性和可生物降解的材料使其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域缺乏發(fā)展空間。但是，近年來，一些天然或合成的可交聯(lián)生物材料的發(fā)現(xiàn)為立體光刻在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了巨大的機會[5]。

圖1如何打印耳朵[6]

在過去的十年中，3D打印技術(shù)得到了快速發(fā)展，使其也可以在許多新領(lǐng)域中得到應(yīng)用，并引起了醫(yī)療設(shè)備和組織工程的關(guān)注。由于3D打印可以在短時間內(nèi)以低成本為患者量身定制特定的醫(yī)療產(chǎn)品，這也使3D打印技術(shù)在未來的個人醫(yī)療時代具有廣闊的發(fā)展前景。目前，有許多生物材料可通過三維印刷來制備骨組織工程支架或其他醫(yī)療產(chǎn)品。在本次會議中，我們將概述不同印刷技術(shù)所需的材料特性，并重點介紹已應(yīng)用的生物材料及其優(yōu)缺點。

生物醫(yī)學(xué)活性陶瓷通過模擬天然骨骼的礦物相，結(jié)構(gòu)和機械性能，是仿生骨骼修復(fù)材料的理想選擇。由于液體陶瓷材料的數(shù)量少并且其熔點遠遠超過熔融沉積印刷所能承受的范圍，因此目前難以使用3D打印機直接打印陶瓷材料。另外，陶瓷材料由于缺乏光敏性能而不適用于光固化三維印刷技術(shù)。使用選擇性激光燒結(jié)印刷系統(tǒng)印刷高密度和多孔結(jié)構(gòu)也是困難的。直接擠出3D打印技術(shù)是當前用于打印陶瓷材料的最有前途的方法。陶瓷粉必須具有合適的粒徑（通常為10-150微米）和合適的粘結(jié)溶液，以使其易于印刷。成型[7]。

羥基磷灰石粉廣泛用于三維印刷，這與礦物相中大量的磷酸鈣有關(guān)。將聚丙烯酸酯溶液逐層濺射到HA粉末上，然后進行燒結(jié)以完成固化過程，從而獲得了羥基磷灰石偶聯(lián)劑。通過燒結(jié)，其抗壓強度（0.5-12Mpa）可以滿足人體松質(zhì)骨的最低要求。將其移植到小鼠模型中，八周后，新的骨骼開始在支架邊緣形成，并且類骨和血管在內(nèi)部生長。然而，盡管人造骨支架具有出色的性能，但仍然離臨床使用標準還很遠[8]。生物玻璃是內(nèi)部分子隨機排列的硅酸鹽聚集體。材料中的成分可以與生物體內(nèi)的成分交換或反應(yīng)，從而形成與生物本身相容的物質(zhì)。研究人員通過細胞和動物實驗對生物活性玻璃進行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)生物玻璃具有優(yōu)異的自降解能力，其離子產(chǎn)物可以促進成骨細胞的增殖和分化并激活成骨基因的表達。為了有效治療與腫瘤相關(guān)的骨缺損疾病，Lu等[9]首先制備了磁性納米粒子修飾的介孔生物玻璃，并將其與殼聚糖混合以制備多孔復(fù)合支架。該復(fù)合支架具有良好的骨再生和光熱治療功能，在腫瘤相關(guān)骨缺損的治療中具有重要的應(yīng)用價值。

圖2超彈性人造骨[10]

醫(yī)用聚合物打印材料具有出色的加工性能，可應(yīng)用于多種打印模式，并具有良好的生物相容性和可降解性，使其成為3D打印生物材料的主要力量。不同的打印技術(shù)需要設(shè)置不同的材料打印參數(shù)。例如，熔融沉積印刷使用熱塑性聚合物材料，可以通過將原料簡單地拉成長絲形狀來進行印刷，但是其直徑通常約為1.75 mm，并且具有快速的固溶轉(zhuǎn)化性能以確保其被擠壓。它在外出之前會很快融化，擠出后可以迅速冷卻。光固化三維印刷技術(shù)要求漿料處于液態(tài)并具有光敏特性。

目前，使用最廣泛的三維印刷聚合物材料是可降解的脂族聚酯材料，例如聚乳酸（PLA）和聚己內(nèi)酯（PCL）。聚己內(nèi)酯是一種半結(jié)晶聚合物，曾經(jīng)被廢棄，直到組織工程學(xué)和3D打印的興起，而PCL再次處于歷史舞臺上。聚己內(nèi)酯在加熱時具有出色的流變性和粘彈性，使其成為基于熔融沉積的印刷機最重要的材料之一。聚己內(nèi)酯在人體中穩(wěn)定長達六個月，然后逐漸降解，副產(chǎn)物對人體無毒無害。聚乳酸是具有良好的生物相容性和生物降解性的線性熱塑性脂族聚酯。然而，由于聚乳酸的降解是通過酯鍵的水解而實現(xiàn)的，因此乳酸的釋放導(dǎo)致周圍體液環(huán)境中的pH值降低。這些酸性副產(chǎn)物易于組織發(fā)炎和細胞死亡。為了改善這個問題，研究人員將聚乳酸與生物陶瓷結(jié)合起來制備復(fù)合支架，以改善其生物響應(yīng)能力并阻止酸性環(huán)境的形成。 Ion等人[11]使用3D打印技術(shù)來制造一種新穎的磷灰石-硅灰石/聚乳酸（AW / PLA）復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與皮質(zhì)和松質(zhì)骨的特性相匹配。體外細胞實驗結(jié)果表明，AW / PLA復(fù)合支架能夠有效促進大鼠骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖和成骨分化。在大鼠顱骨缺損模型中，復(fù)合支架顯示出良好的骨整合和促進新骨形成的能力。

除了PLA和PCL，聚丙烯（PPF）是光固化中研究最多的可生物降解和可光交聯(lián)的聚合物材料之一。通常，將印刷的糊狀物與富馬酸二乙酯DEF溶劑混合，并添加光引發(fā)劑。溶液的粘度和PPF與DEF的比例對印刷過程和支架的機械性能有很大影響。聚醚醚酮（PEEK）的熔點為350°C，因此只能通過選擇性激光燒結(jié)印刷技術(shù)形成。但是，高熔點還賦予PEEK耐熱性，使其在高溫蒸汽滅菌過程中穩(wěn)定。但是，PPEK作為一種生物材料，缺乏對組織工程有利的骨整合，不能與天然骨很好地結(jié)合，因此容易引起排斥反應(yīng)，價格昂貴[12]。

水凝膠是通過水溶性聚合物的化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)形成的聚合物，具有三維交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且本身還包含大量的水。該水凝膠具有強度可調(diào)，可降解，功能修飾等特點，可作為模擬細胞外基質(zhì)微環(huán)境的柔軟材料，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。它可用于制備二維或三維組織工程支架并控制藥物的釋放。常用的三維印刷水凝膠膏主要分為三類：一種是從天然聚合物制備的，例如藻酸鹽，瓊脂，明膠，纖維素，膠原蛋白，絲素蛋白，透明質(zhì)酸等。一種是從合成聚合物制備的，例如如聚丙烯酰胺，聚氨酯，聚乙二醇等；另一類是由合成聚合物和天然聚合物組成的復(fù)合水凝膠基漿料。

在水溶性合成聚合物中，醫(yī)用聚乙烯醇（PVA）被廣泛用于組織工程領(lǐng)域。 PVA具有良好的生物相容性，無毒且易于降解，可在95°C的水中溶解，形成凝膠，并具有高粘度。 Zhang等[13]制備了具有相互連接的孔的MBG / PVA復(fù)合支架。 PVA的添加顯著增強了材料的韌性。使用大鼠顱骨缺損模型進行的動物實驗還表明，MBG / PVA支架具有出色的骨誘導(dǎo)活性，并促進了骨缺損處的新骨形成和血管生成。

目前，有許多實驗將細胞與3D打印的生物支架共培養(yǎng)。結(jié)果還表明，細胞可以在各種三維支架上存活，并且比普通的二維培養(yǎng)更好。但這僅是單元和材料的二維效果，不會將單元直接放置在打印系統(tǒng)中。將細胞與糊劑直接混合以進行印刷作為一種新想法也引起了研究人員的廣泛關(guān)注。天然水凝膠具有良好的細胞相容性。它的組成與細胞外基質(zhì)的組成相似，并且其粘附至表面蛋白質(zhì)和細胞的能力很弱，并且?guī)缀醪粫绊懠毎拇x過程。它可以包裹細胞，運輸營養(yǎng)并分泌代謝產(chǎn)物。安德里亞（Andrea）等。 [14]以不同比例測試了I型膠原蛋白和透明質(zhì)酸的生物墨水配方，并確定了一種最佳配方，該配方既可以進行生物打印，又可以支持生物活性并支持天然細胞-基質(zhì)相互作用。 。他們將該制劑應(yīng)用于包含人原代肝細胞和肝星狀細胞的3D肝組織的構(gòu)建，并測試了對乙酰氨基酚（一種常見的肝毒物）的作用。結(jié)果表明，甲基丙烯酸甲酯膠原蛋白和巰基透明質(zhì)酸的結(jié)合產(chǎn)生了一種簡單的，可打印的生物墨水，可調(diào)節(jié)間充質(zhì)細胞的生長并治療藥物。有正確的反應(yīng)。

圖3細胞生物打印

Three-dimensional printing technology has great application prospects, but there are still many problems to be solved as the main members of the biomedical field. One of the problems lies in the limitations of the 3D printer’s own capabilities. Although its printing speed and printing accuracy have been greatly improved, in many cases it still cannot achieve the best level. Another major problem is the limitations of alternative biomaterials. Although many materials that can be printed have their own advantages, the materials used for transplantation must meet the requirements of physiological conditions and have a good response to the human body. In general, ideal orthopedic materials require the following characteristics: (1) printability, (2) biocompatibility, (3) excellent mechanical properties, (4) good degradability, and (5) by-products. Non-toxic and degradable, (6) good tissue biomimetic properties. Different types of printers have different material requirements, and these characteristics are sometimes difficult to fully satisfy. For example, in bone tissue engineering, on the one hand, a high-strength scaffold material is required to meet the growth and load of osteoblasts, but this also causes a problem of difficulty in scaffold degradation. Some soft materials with low strength are easy to print and are easily degraded, but they cannot be applied to load-bearing parts. In general, three-dimensionally printed pastes are used in the field of bone and cartilage repair due to their own hardness and natural bone proximity. Fundamentally, the choice of biomaterials is to balance their performance to achieve the desired material.

聚合物生物漿料已被廣泛研究，尤其是對于廉價的彈性體，例如PLA和PCL。這些材料具有優(yōu)異的生物相容性和機械性能，被廣泛用作基材。除此之外，在未來的研究中，應(yīng)注意聚合物材料的降解性，脆性和細胞相容性。傳統(tǒng)上，HA和β-TCP等陶瓷材料被認為是硬組織工程支架的理想材料，現(xiàn)在正越來越多地用于陶瓷和聚合物復(fù)合材料的研究?？梢愿纳铺沾刹牧系奶砑?。支架的強度和復(fù)合材料的生物學(xué)特性。水凝膠生物漿液和打印系統(tǒng)的發(fā)展使我們更接近于多功能，細胞固定模型系統(tǒng)的打印，我們希望有一天能實現(xiàn)器官打印。該過程始于超分子水凝膠漿料的研究。最后，如果要將3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如何進行批量生產(chǎn)，如何控制質(zhì)量以及如何克服管理障礙都是需要解決的問題。盡管前路漫長，但3D打印最終將在組織工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域大放異彩！

參考

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