快速成型技术在骨组织工程支架制备中的应用

快速成型技术在骨组织工程支架制备中的应用摘要：近年来通过将快速成型技术、螺旋CT/MRI等检测手段与三维重构技术相结合，在人体骨组织工程与支架制备设计领域显示出良好的应用前景。本文对近些年来骨组织工程支架制备的研究与发展状况进行了回顾，基于生物医学工程领域与制造领域的最新研究动向，针对传统制造方法的一些缺陷和存在的不足，总结了RP技术在骨组织工程支架制备的应用。关键词：快速成型技术；骨组织工程；支架；ApplicationsofRapidPrototypingTechnologyonStentspreparationofbonetissueengineeringYangguilin(SchoolofMechanicalEngineering,XinjiangUniversity,UrumqiXinjiang830047)Abstract:Inrecentyears,withspiralCT/MRI,RPtechnologyandothertestingmeansofdetectiontechnologycombinedwiththree-dimensionalreconstruction,agoodprospectwasshowedinthebonetissueengineeringandStentspreparation.Inthispaper,inrecentyears,Stentspreparationofbonetissueengineeringresearchanddevelopmentisreviewed,basedonthefieldofbiomedicalengineeringresearchandmanufacturingthelatesttrends.Forthelackofthetraditionalmanufacturingmethods,theapplicationofstentspreparationofbonetissueengineering.Keywords：rapidprototyping;bonetissueengineering;stents1引言组织工程应用生物学和工程学的原理，研究开发能够修复、维持和改善损伤组织功能的生物替代物，其基本方法是将体外培养的高浓度的功能相关的活组织细胞扩增，并种植于一种生物性能良好、生物可降解性（或称生物可吸收性）的天然与人工合成的细胞外基质（Extracelluarmatrix.ECM）上。然后将它们共同移植到所需部位，在机体内细胞继续增殖，而生物支架结构则逐渐被降解、吸收，结果形成新的有功能的组织器官，而达到修复结构、恢复功能目的。其中骨组织工程致力于解决骨缺损的治疗与修复，理想的组织工程支架应具备如下性质[1]：①三维多孔且内部贯通的孔网络结构，以适合细胞的生长、养分输送及代谢废物的排放；②与体内、体外细胞或组织的生物相容性，与其生长相匹配的降解速度；③适合细胞附着、增殖和分化的表面；④与植入组织相匹配的力学性质；⑤与临床需要的组织外形相同。组织工程骨的构建由种子细胞、生物支架和生长因子三部分组成。种子细胞是组织工程研究中的基本环节，骨组织工程研究的中心环节是寻求能够作为细胞移植与引导的支架结构，以作为细胞外基质的替代物[2]，生长因子是促进骨折愈合的物质。因此，骨组织工程支架的设计与制备是研究的第一步。而支架的设计和适配取决于患者骨缺损部位的解剖结构。由于每个患者的骨缺损部位的解剖结构各不相同，支架的制作必须因人而异，因残而异，即进行个体化设计。骨组织工程支架系统主要包括四个部分：第一部分主要是支架外部结构设计，主要通过CT／MRI扫描所需构建的骨缺损部位，通过三维重建获取骨缺损部位的外部轮廓，重建其解剖结构。第二部分主要是支架内部结构设计，应用计算机辅助设计(CAD)技术设计支架的内部多孔结构，或通过微米CT(Micro-CT，μ-CT)扫描直接获取骨组织的内部结构。第三部分是选择制备支架的生物材料。第四部分采用RP技术生产出相应的支架[3]。2支架设计制造系统骨组织支架制备方法发展过程可以分为两个阶段：传统制造阶段、快速成型制造阶段。2.1传统骨组织支架制造方法[4]第一阶段采用传统制备方法。通常，多孔支架外形的成型方法主要有手工成型和模具成型，主要制备技术有：（1）纤维粘结法（2）溶剂浇铸/粒子浸出法（3）相分离/冷冻干燥法（4）气体发泡法（5）有机泡沫浸渍法有学者尝试将两种以上的方法结合在一起使用，或对已有的方法进行改良，优化过程参数，以期得到更好的孔结构。Harris[5]等使用气体发泡法并结合颗粒滤除法制得具有开口大孔的支架材料，有效克服了封闭孔的弊端；Mikos[6]等应用层压技术将PLA及PGA制备成具有一定形状的三维立体聚合物泡沫，层压的各层微孔彼此相通，构成了连续孔状结构，这些都有利于细胞的长入、生存和增殖。手工成型方法简单，应用方便。但以上传统制备技术主要考虑的是内部多孔结构的形成，对外形关注较少，无论运用何种方法，制备的支架都不具备一致的内部结构，其外部结构也不能与患者骨缺损部位的解剖结构吻合，以至于不能实现支架个体化制造与生产的要求，难以制备形状复杂的多孔支架，而且制件精度较低依赖于操作者的技术。因此如何获得能够满足复杂外形、内部多孔结构和个体化制造要求的三维仿生支架，其制备工艺是有待解决和研究的课题。2.2快速成型制备技术快速成型(rapidprototyping，RP)技术是指在计算机控制下，根据物体的CAD模型，不借助其他设备，通过材料的精确堆积，制造原型的一种基于离散、堆积成型原理的新的数字化成型技术[7,8]，它以材料的逐层堆积生产作为主要的实现手段，因而又被称为增材制造技术。其基本原理就是“分层制造、逐层叠加”，类似于一台立体打印机，实现一种由点到线，线到面，由面组成立体结构的过程。现主要的快速成型新技术有：分层实体制造、激光选区烧结、熔融沉积制造、三维打印等成型方法。集中体现了激光加工、数控和新材料开发等多学科、多技术的综合应用。骨组织仿生支架快速成型技术是一种基于离散/堆积成型原理的数字化成型技术，它包含解剖学数据提取、非均质结构几何描述、基于数字图像的三维重构和精细成型等环节。相对于传统机械零件的制造而言，因为患病个体不同，损坏器官程度和部位不同，而且器官的几何尺寸又完全不一致，所以骨组织仿生支架的制造是一种绝对个性化的制造。由于救治患者的急迫性，对制造技术提出了快速和柔性要求，快速成型技术具有不可比拟的优势，它能以最快的速度将设计思想物化为具有一定结构功能的产品原型，同时得到快速的评价、测试和改进，获得了最大的柔性和快捷性。3快速成型在骨组织工程支架制备中的应用RP技术所采用的离散堆积形成原理，即先将CAD软件设计出的三维模型以STL文件格式导入RP计算机，因为STL格式为CAD软件与RP计算机共同识别的文件类型，然后根据工艺要求，将模型按一定厚度进行分层，把三维模型变为二维平面／截面信息，此为离散过程；再将分层数据进行一定处理，加入加工参数，产生数控代码，在RP计算机控制下以平面加工方式有序、连续地加工出每一个薄层，并使它们自动粘结而成形，此为材料堆积过程[9]。因此，采用RP技术生产支架可很好地控制支架的一些重要参数，如孔隙率、支架内部贯通性、孔径太小、支架力学性能等。目前用于支架制造的RP技术主要包括激光选区烧结(selective1asersintering，SLS)技术、熔融沉积制造(fuseddepositionmodeling，FDM)技术、三维打印(3Dprinting，3D-P)技术等。通过快速成型技术制备骨组织仿生支架有两种方法：一是间接法，即利用快速成型技术制备仿生支架的负型，然后将可降解的生物仿生材料及粘接剂或致孔剂等填入负型模型中，通过溶解或焙烧去除负型和致孔剂，得到满足外形尺寸的多孔仿生支架结构；二是直接法，即用快速成型技术直接加工可降解的生物材料，通过CT医学图像得到骨组织支架外形结构，由CAD控制支架内部孔径结构，这种制备工艺可以一步形成支架的外形和内孔结构，是最快捷的制备方法。与前面的方法相比，利用制造领域的前沿技术一快速成型技术，制造骨组织支架，可以实现一次成型。快速成型技术具有数字化和集成化的特点，特别适合于复杂曲面的成型，并且可以直接由三维数据驱动快速成型设备完成快速制造，在很大程度上缩短了制作周期并减小了劳动强度。目前这种技术在颌面骨修复重建方面应用的比较多，如Singare等人对1例右下颌骨缺损患者采用反求技术设计出了与左侧解剖结构对称并符合手术操作需要的个体化假体数据模型，再用激光立体光刻技术制造树脂模型，根据树脂模型制得外为钛合金假托、内含皮质骨的个体化假体，术中操作顺利，术后矫形满意，完全满足额面部的对称审美要求[10]。RP技术在其余部位骨骼假体置换应用主要有骨盆假体、人工关节、腕骨等的个体化制备，如贺健康等人设计、制造出1例新型复合异体半关节移植的个体化人工半膝关节，假体与异体骨、对侧关节的匹配情况良好[11]。清华大学颜永年等[12]采用纳米HA-胶原复合材料以及骨生长因子为成形原料，以多喷头快速喷射成形技术制备出一种非均质、多孔的人工骨，用于兔桡骨缺损的修复，与人骨在很多方面高度相似。Landers等[13]采用一种称为3D绘图的快速成形技术制备凝胶多孔支架，采用琼脂和凝胶为原料，该方法为纤维蛋白、胶原等组织工程支架的快速成形创造了条件。Ang等[14]采用类似的加工方法，加工出的壳聚糖-HA多孔支架，具有较好的孔隙率和生物相容性，适合细胞的黏附和增殖。可以预见，随着该技术的不断发展和成熟，必将大大推动长期困扰骨组织工程发展的支架加工问题的最终解决。在文献[15]中，英国Nottingham大学机械工程系研究了两种制造这种细胞支架复合体的方法，一种是改进的树脂过渡成模法(RTM：ResinTransferMoulding)，另一种是基于快速成型的材料堆积成模法(MDM：MaterialDepositionModeling)，为活性替代器官的仿生制造提供了新的途径。在文献[16]中，美国密歇根大学的Hollister等学者提出了基于图像的优化设计方法。他罗列出影响优化目标的算术的参数：孔径、孔隙率、孔型、导通性、材料表面性状、支架渗透率和支撑硬度，根据均质理论利用MATLAB中的优化计算工具计算出微孔尺寸参数，然后通过UG(Unigraphics)设计支架结构。利用蜡成型制造多孔支架的的铸造型腔(支架负型)然后在蜡型里注入浆状钙磷系陶瓷，干燥后加热取出蜡型，并经培烧提高强度(收缩27％)。在文献[17]中，西安交通大学快速成型及制造研究中心在生物活性仿生制造领域，尤其是仿生骨的制造方面进行了积极的研究，提出了一种融合RP技术和生物生长因子培养技术的仿生制造方法。利用RP技术采用生物可降解材料制造约束框架一宏观外部结构，利用生物生长和基因调控技术构建微观局部，将制造建立在生物生长的本能特性上。目前该中心与第四军医大学合作进行基于涡旋恒压式熔融快速成型技术的仿生替代骨的研究。采用这种方法制备具有微孔结构并且与人体实际骨外形及其相似的仿生骨，微孔结构适于组织液和骨细胞长入，并能对微孔的大小、形状、数量进行控制。总之，RP技术最突出的特点是[9]：①可以制造出具备任意复杂形状的三维实体，不需要特殊的模具、工具或人为干涉；②微孔的数量、大小、形状及分布可人工影响或控制：③能形成传统工艺不能形成的200-500μm的可控孔隙结构，保证孔隙之间完全贯通；④能实现孔隙梯度结构和用户化的制造，具有最大的柔性和快速性。但如前所述，由于受材料加工工艺和RP设备本身的局限性影响，直接利用各种生物活性材料作为原料生产支架仍受到一定的限制．故产生了一种改进型技术．即间接RP技术来实现对生物活性材料的间接使用[18]。4总结关于骨组织工程支架的发展，总的来说传统的支架制备技术仍然会不断向前发展，但是新技术的出现，如RP技术将有更加广阔的应用发展前景。以组织工