3D打印技术在医疗领域最新进展

来源：DT新材料  

作为新型的快速成型的制造技术，3D打印技术与传统的成型技术相比有着本质差别，在个性化定制、精准化医疗等方面，都体现出传统医疗不可比拟的优势。这源自于各个学科领域的整体发展，近些年在医疗领域大量新技术得以诞生。从传统宏观的义肢制造到微观的人体组织制造迈出了很大的一步。不同的打印技术在医疗领域最新的应用和发展远远超出传统技术在这一领域的价值。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所退行性中心的阮长顺、潘浩波和哈尔滨工业大学富宏亚多团队交叉协作，提出一种可用于挤出式3D打印的仿天然骨组织“松质骨-皮质骨”径向连续孔隙调控的骨组织工程支架构筑策略，将分形学理论结合骨组织工程支架生物制造中，克服了传统挤出式3D打印技术难以实现径向梯度孔隙结构的困难。

临界骨缺损修复作为骨科面临的主要问题之一严重影响人们的健康和生活质量。人体天然骨组织由高孔隙率的松质骨和低孔隙率的密质骨组成，具有紧密的径向梯度结构。如何实现骨植入修复材料具有天然骨组织径向梯度结构一直是骨组织工程研究领域的难点。挤出式3D打印，因其操作简单、可用材料范围广、易于细胞打印等优点得到广泛应用，目前虽有一些文献通过调整挤出丝束直径和分布间距等参数来设计具有轴向梯度孔隙的支架，但对于支架沿径向梯度变化的研究仍具挑战。

鉴于此，该团队受分形理论的启发，基于科赫雪花的迭代规则设计、定义了分形支架的分形曲线的单元线条。通过将分形单元线条进行圆周阵列得到分形层，并设计圆环层使其在挤出式3D打印堆积成型的过程中与分形层相互支撑。此外，为了参数化构建径向梯度骨组织工程支架，还搭建了“设计-分析-制造”的工作流。研究结果表明所构建的仿生径向梯度支架在孔隙结构、渗透性能、机械性能等方面展现优异的梯度特征。

该项目得到国家重点研发计划、国家自然基金、中国科学院青促会、广东省及深圳市基础研究等项目资助。

由于关节骨-软骨组织结构及组成的复杂性，骨-软骨缺损的一体化修复目前是医学上亟需解决的难题。细胞3D打印是一种先进的生物制造技术，利用该技术可以实现多种材料、多种细胞和生物活性因子的精确定位与分布，为复杂组织和器官再造奠定基础。关节软骨和软骨下骨各向异性的生理特性和双向分化的需求使骨-软骨组织的仿生重建面临巨大的挑战。因此，根据软骨和软骨下骨中不同的细胞类型和生理需求，开发出能够同时模拟骨-软骨组织结构和功能特性的3D多细胞支架尤为重要。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员与常江研究员带领的研究团队在生物3D打印多细胞支架用于骨-软骨复杂组织再生方面取得重要进展。该研究团队通过设计含无机生物活性材料的生物墨水的组成以及多种细胞的空间分布，利用多细胞生物3D打印技术构建了含软骨细胞和间充质干细胞的多细胞体系，制备出的多细胞支架模拟了骨-软骨组织各向异性的生理环境，能够高效促进骨-软骨复杂组织修复。

将含有LMS生物陶瓷的生物墨水与多细胞相结合，通过3D生物打印方法制备模拟骨-软骨组织的双层多细胞支架修复骨-软骨缺损

生物3D打印的多细胞支架具有良好的细胞增殖行为和可控的空间细胞分布。
（A）生物3D打印多细胞支架的打印过程。
（B）含有不同浓度LMS生物陶瓷的多细胞支架中细胞增殖情况。
（C）含有不同浓度LMS生物陶瓷的多细胞支架的光学照片及活/死细胞染色照片（活细胞：绿色；死细胞：红色）。
（D）在生物3D打印支架中，两种细胞的空间分层分布（上层的软骨细胞用红色荧光标记，下层的间充质干细胞用绿色荧光标记）

生物3D打印的多细胞支架对于兔骨-软骨缺损的修复效果。组织学分析表明，生物3D打印支架对于软骨和软骨下骨组织的再生均具有促进作用。
（A）番红O/快绿组织学染色图像。
（B）Van Gieson组织学染色图像。
（C）根据O’Dorscoll分级系统对各组的修复情况进行组织学评分

该团队首先开发了基于Li-Mg-Si（LMS）生物活性陶瓷的生物墨水，并利用细胞生物3D打印技术，通过控制生物墨水及细胞的组成和分布，构建了含有软骨细胞和间充质干细胞的多细胞体系，以模拟骨-软骨组织各向异性的生理环境。生物打印的多细胞支架被设计为两层，其中软骨层为负载软骨细胞的水凝胶生物墨水，软骨下骨层是负载有间充质干细胞的含LMS生物陶瓷的生物墨水。细胞和生物墨水的这种组成和空间设计能够满足软骨和软骨下骨中不同细胞增殖和分化的需求。含LMS生物陶瓷的生物墨水不仅可以模拟骨骼中的无机成分，而且还可以释放出多种生物活性离子以诱导不同细胞朝着特定的方向分化，从而同时促进软骨和软骨下骨的再生。生物3D打印的多细胞支架显示出优异的细胞活力、空间分布和递送效率，其在体外能够调节多种细胞的分化行为，并在体内有效促进了大块骨-软骨缺损的修复。

这种基于生物陶瓷墨水的多细胞生物3D打印策略的主要优势在于：
（1）仅使用一种无机生物材料的生物墨水，为多种细胞的生长和分化提供了有利的微环境；
（2）利用多细胞3D生物打印技术，可构建无界面的多层细胞支架来模仿骨-软骨复杂组织，并在三维空间中精准地排布不同类型的细胞（软骨细胞和间充质干细胞）。这种新策略为人体复杂组织和器官再造提供了新思路。
相关研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队等基金的支持。

目前3D打印已被列入新材料“十四五”规划的重点发展对象。随着“中国制造2025”战略的开展，将为推动中国制造业的快速发展转型注入强大动力。为深入探讨3D打印技术的发展趋势引领中国3D打印事业高质量健康发展，促进交流，助推高分子相关领域的深度融合及应用。！