快速成形技术制造组织工程支架研究进展

生物工程学报ChinJBiotech2008,August25;24(8):1321-13[e-mail]©2008InstituteofMicrobiology,CAS&CSM,AllrightsreservedReceived:November22,2007;Accepted:March3,2008Supportedby:theNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50235020).Correspondingauthor:XiangLi.Tel:[phone];Fax:[phone];E-mail:[e-mail]国家自然科学基金项目(No.50235020)资助。综述快速成形技术制造组织工程支架研究进展李祥,王成焘上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240摘要:支架作为组织工程的关键要素之一,影响着所接种细胞的分布和增值以及新组织的形成。传统的方法虽然可以制造出各种孔隙率的支架,但缺乏对支架多孔结构的控制。近年来,快速成形技术发展迅速,并成功应用于组织工程支架的制造,实现了组织工程支架内部多孔结构与复杂外形的精确控制,从而使得构建理想的组织工程化结构体成为可能。以下回顾了应用快速成形技术制造组织工程支架的优势与潜力,展望了未来组织工程支架的设计制造发展方向。关键词:快速成形,组织工程,支架CurrentProgressofFabricatingTissueEngineeringScaffoldusingRapidPrototypingTechniquesXiangLi,andChengtaoWangDepartmentofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,ChinaAbstract:Asoneofthekeyfactorsfortissueengineering,scaffoldsaffectthespreadandproliferationofseededcellsandtheformationofnewtissue.Althoughconventionalmethodscanproduceporousscaffoldswithdifferentporosities,theyarelackcontrolstheporousstructuresofthescaffolds.Inrecentyears,rapidprototyping(RP)techniqueshavebeendevelopedandhavesuccessfullyappliedtofabricateTEscaffolds.RPtechniquescanprovideaccuratecontroloverinternalporearchitecturesandcomplex-shapes.Asaresultofthesetechniques,idealtissue-engineeredconstructscouldbeprepared.Thispaperreviewedtheadvantages,potentialandfuturedirectionsofRPtechniquesinthedesignandfabricationofTEscaffolds.Keywords:rapidprototyping,tissueengineering,scaffold组织工程(Tissueengineering)是应用生命科学和工程学的原理与技术,研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代物的科学。其核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体,即具有生命力的活体组织,用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代[1]。支架是组织工程的关键要素之一,支架作为细胞和新生组织的临时载体,不但要具有良好的机械强度和生物活性,而且要具备能够提供细胞和新生组织长入的合理三维空间结构,以及与缺损部位相匹配的复杂外形[2−6]。传统的方法包括相分离、发泡法、粒子沥滤等可以制造出各种孔隙的多孔支架,但是,这些方法缺乏对孔结构(如孔的尺寸、空间走向、连通性等)的控制,更缺乏制造复杂外形的能力[7−9]。20世纪80年代出现的一种基于计算机辅助设计(Computeraideddesign,CAD)的新型1322ISSN1000-3061CN11-1998/QChinJBiotechAugust25,2008Vol.24No.8Journals.im.ac.cn制造技术——快速成形(Rapidprototyping,RP)技术,可以制造任意复杂形状的三维实体,为组织工程支架的仿形与仿生制造提供了可能[10−15]。RP是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术,它采用材料累加的制造原理,通过计算机处理CAD数据模型,快速制造出三维实体模型。其基本过程是首先对零件的CAD数据进行分层处理,得到零件的二维截面数据,然后根据每一层的截面数据,以特定的成型工艺(挤压成型材料、固化光敏树脂或烧结粉末等)制作出与该层截面形状一致的一层薄片,这样不断重复操作,逐层累加,直至“生长”出整个零件的实体模型[10]。RP技术应用于组织工程支架制造的基本形式有2种,一是直接制造形式,即应用CAD软件设计支架的三维CAD模型,通过RP设备将生物材料直接制造出与设计结构一致的支架实体模型;二是间接制造形式,即先应用CAD软件设计支架的负型结构,通过RP设备制造出来,作为模具,然后将生物材料填充到模具中,再去除模具,获得相应的多孔支架。1RP直接制造方法RP技术按制造工艺原理进行分类主要包括:立体光固化法(StereoLithography,SL)、层叠实体制造(Laminatedpbjectmanufacturing,LOM)、熔融沉积制造(Fuseddepostionmodeling,FDM)、激光性激光烧结(Selectivelasersintering,SLS)、三维打印(Three-dimensionalprinting,3DP)。这些方法直接制造骨组织工程支架的基本工艺流程是一致的,如图1所示。图1RP直接制造方法工艺流程Fig.1DirectrouteofRPfabrication1.1立体光固化法SL技术成形过程如下:开始时,可升降工作台的上表面处于液面下—个截面层厚的高度(通常为0.125~0.75mm),该层液态光敏聚合物被激光束扫描而发生聚合固化,并形成所需第一层固态截面轮廓后,工作台下降一层高度,液槽中的液态光敏聚合物流过已固化的截面轮廓层。刮刀按照设定的层高作往复运动,刮去多余的聚合物,再对新铺上的这一层液态聚合物进行扫描固化,形成第二层所需固态截面轮廓,新固化的一层能牢固地粘结在前一层,如此重复直到整个制件成形完毕。SL技术应用于生物医学方面,昀初只是制作一些解剖模型供外科手术参考和教学之用[16,17]。Cooke等[18]利用Pro/Engineer软件设计了一个直径50mm,高4mm的支架,以Polypropylenefumarate(PPF)为支架材料,通过SL技术直接制造出了与设计结构一致的多孔支架。由于使用SL技术直接制造组织工程支架对成形材料要求很高,不但要具备良好的生物学特性,而且要具有光敏聚合属性,因此,限制了SL技术直接应用于组织工程支架的制造。1.2熔融沉积制造FDM技术成形过程是:在切片数据和丝材准备好之后,计算机的控制模块根据规划好的扫描路径,控制喷头在X-Y平面运动,同时将熔化了的材料喷挤出来,成形一个截面的形状。当前层成形完毕即控制工作台下降一个层厚的高度,再进行下一层截面的成形。如此一层一层成形,昀终形成所需要的零件形状。Zein等[19]利用FDM技术制造了具有相互连通管道结构的PCL支架,管道尺寸为160~700μm,孔隙率为48%~77%,支架的抗压刚度为4~77MPa,屈服强度为0.4~3.6MPa。Hutmacher等[20]通过接种人李祥等:快速成形技术制造组织工程支架研究进展1323Journals.im.ac.cn成纤维细胞和成骨样细胞对FDM技术制造的PCL支架做了进一步的体外培养试验研究,发现:成纤维细胞和成骨样细胞都能在多孔PCL支架上增值、分化、分泌细胞外基质。Kalita等[21]利用FDM技术制备了可控孔隙率的聚合物－陶瓷复合支架,所制备的具有不同形状、尺寸内部孔隙结构的聚合物-陶瓷复合支架。通过对孔的平均尺寸为160μm,孔隙率分别为36%、48%和52%的支架进行的轴向压缩试验,发现:孔隙率为36%的支架抗压强度昀大为12.7MPa(±2MPa),其平均抗压模量为264MPa(±28.6MPa)。在支架上通过接种人成骨细胞进行的细胞毒性和增值试验研究表明:支架无毒性,细胞能够很好的在支架上生长、增值。清华大学的熊卓等[22]采用一种类似FDM的快速成形技术,即低温挤出成形技术,制备了聚左旋乳酸/磷酸三钙复合材料支架,支架孔隙率为89.6%,抗压强度为4.7MPa,通过犬桡骨20mm节段性缺损的修复实验,证明了支架具有良好的生物相容性、体内可降解性以及骨传导性。FDM的优点是材料的利用率高,材料的成本低,可选用的材料种类多,工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。缺点是精度低,结构复杂的零件不易制造,表面质量差,成型效率低。所制造支架的管道走向只能是与X轴、Y轴或Z轴方向一致,且管道昀小尺寸受加工层厚的限制,制造复杂外形的支架时,必须添加支撑。1.3选择性激光烧结SLS技术是在事先设定的预热温度下,先在工作台上用辊筒铺一层粉末材料,然后激光束在计算机控制下,按照截面轮廓信息对制件的实心部分所在的粉末进行扫描,使粉末的温度升至熔化点,于是粉末颗粒交界处熔化,粉末相互粘结,逐步得到一层轮廓。在非烧结区的粉末仍呈松散状,作为工件和下一层粉末的支撑。一层成形完成后,工作台下降一个截面层的高度,再进行下一层的铺料和烧结,如此循环,昀终形成三维制件。Tan等[23]用SLS技术制造了多孔PEEK－HA复合支架,并且通过改变polyetheretherketone(PEEK)与hydroxyapatite(HA)的质量百分比对SLS技术用于制造PEEK－HA复合支架的适用性作了进一步的评估。用扫描电镜观察了支架的微结构,证明了SLS技术制造组织工程支架的潜力。Chua等[24]先将polyvinylalcohol(PVA)和HA材料经过喷涂-干燥技术与物理混合处理,然后再用SLS技术制造了PVA-HA复合支架,通过扫描电镜和X线衍射分析测试了支架的微结构与成分,并通过模拟体液环境的浸泡试验测试了支架的生物活性,证明SLS技术制造组织工程支架有巨大的潜力。Das等[25]以尼龙-6为材料,用SLS技术制造了仿生结构组织工程支架。生物相容性试验研究表明支架适合细胞的黏附生长,组织学分析研究发现:支架植入体内后有矿化组织形成,只是尼龙-6材料不具有生物可吸收性。Williams等[26]以生物可吸收性聚合物polycaprolactone(PCL)为材料,利用SLS技术制备了多孔PCL支架,力学性能测试表明支架的抗压模量为52~67MPa,屈服强度为2.0~3.2MPa,与人体骨小梁力学性能接近。作者还通过接种成纤维细胞并植入动物体内,对支架的生物学特性进行了评估,通过组织学和Micro-Computedtomography(CT)分析发现所制造的PCL支架中有新骨形成。为了证明SLS技术的临床应用能力,作者还以猪下颌骨髁为模型,根据CT扫描数据重建猪下颌骨髁的CAD模型,并结合多孔结构设计,制造了具有猪下颌骨髁外形与内部多孔结构一体化的PCL支架。SL