构建骨组织工程支架中应用的3D打印技术

中国组织工程研究第19卷第30期2015–07–16出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchJuly16,2015Vol.19,No.30P.O.Box10002,Shenyang110180于强，男，1992年生，汉族，山东省烟台市人。通讯作者：田京，硕士，教授，副主任医师，硕士生导师，南方医科大学珠江医院骨科中心，广东省广州市510282中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2015)30-04870-06稿件接受：2015-05-16:TianJing,Master,Professor,Associatechiefphysician,Master’ssupervisor,DepartmentofOrthopedics,ZhujiangHospital,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou510282,GuangdongProvince,ChinaAccepted:2015-05-16构建骨组织工程支架中应用的3D打印技术于强1，田京2(1南方医科大学第二临床医学院，广东省广州市510282；2南方医科大学珠江医院骨科中心，广东省广州市510282)文章亮点：1此问题的已知信息：3D打印技术已开始应用于组织工程支架的构建，具有高精度、速度快和可实现按需定制的优点。2文章增加的新信息：从3D打印技术应用在骨组织工程支架构建的原理和基本流程入手，总结所用原料粉末与黏合剂所需具备的条件，并比较分析不同粉末材料的优势与劣势。3临床应用的意义：3D打印技术可精细控制支架内部的精细结构(如孔隙率)，并且能够不受所打印形状的限制等优势，应用于临床骨组织工程支架的构建前景广泛。关键词：生物材料；骨生物材料；支架材料；3D打印；黏结剂；组织工程学；快速成型技术；人工合成多聚体；天然高分子聚合物；生物陶瓷主题词：组织工程；细胞；支架摘要背景：3D打印技术自20世纪末出现以来逐渐应用在医学领域已成为一种趋势。近年来3D打印技术被广泛用于骨组织工程支架材料的成型，并取得了一些令人惊喜的成果。目的：文章从骨组织工程支架基本概念、3D打印的基本原理和流程、3D打印应用于构造支架的要求以及不同的粉末材料等方面进行阐述，分析其优势与目前存在的局限性，并对未来3D打印在骨组织工程支架中的应用进行展望。方法：第一作者应用计算机检索1990年1月至2015年2月MEDLINE数据库、ScienceDirect全文数据库、中国期刊全文数据库、维普中文期刊网等有关3D打印技术在构建骨组织工程支架中应用的文章，检索词“3D打印，组织工程学，快速成型技术，支架，材料”，排除重复性研究。文章共检索到52篇相关文献，其中33篇文献符合纳入标准。结果与结论：3D打印技术具有高精度、构建速度快、可按需制造实现个性化定制等优势。3D打印应用于骨组织工程支架构建时，所用的粉末或黏合剂需具备一定的条件，如流动性、稳定性与可湿性等。用于打印的粉末材料可分为人工合成多聚体、天然高分子聚合物、生物陶瓷及它们的混合物。不同粉末材料的粉末各自优缺点不同，且最终成型效果也不尽相同。3D打印技术也存在一些包括费用昂贵、不易大规模生产等方面的局限性。但尽管如此，3D打印的临床应用前景一片光明。于强，田京.构建骨组织工程支架中应用的3D打印技术[J].中国组织工程研究，2015，19(30):4870-4875.doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.30.022Applicationofthree-dimensionalprintingtechniqueinmanufacturingscaffoldsforbonetissueengineeringYuQiang1,TianJing2(1SecondCollegeofClinicalMedicine,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou510282,GuangdongProvince,China;2DepartmentofOrthopedics,ZhujiangHospital,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou510282,GuangdongProvince,China)AbstractBACKGROUND:Three-dimensionalprintingtechniquehasbeenappliedinmedicalfieldssinceitwasinventedintheendof20thcentury.Recentlyithasbeenwidelyusedinmanufacturingscaffoldsforbonetissueengineering.OBJECTIVE:Toreviewthebasicconceptofthescaffoldforbonetissueengineering,thebasicrequirementsforthree-dimensionalprintingtechniqueinscaffoldengineering,differentmaterialsusedinbonetissueengineering,theadvantagesandlimitationsofthree-dimensionalprintingtechniqueandtheoutlookofthree-dimensionalprintingtechniqueappliedinmanufacturingscaffoldforbonetissueengineering.METHODS:Thefirstauthordidacomputer-aidedretrievaloftheMEDLINEdatabase,ScienceDirectdatabase,CNKIdatabase,andCQVIPdatabaseforarticlesrelevanttothree-dimensionalprintingtechniqueusedinmanufacturingscaffoldsforbonetissueengineeringpublishedbetweenJanuary1990andFebruary2015.Thekeywordswere“three-dimensionalprinting,tissueengineering,rapidprototypingtechnology,scaffold,materials”inEnglishandChinese,respectively.Repetitivestudieswereexcluded,and33of52relatedliteratureswereadoptedinresultanalysis.RESULTSANDCONCLUSION:Three-dimensionalprintingtechniquehasmanyadvantagessuchashigh于强，等.构建骨组织工程支架中应用的3D打印技术ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH4871:syntheticandnaturalpolymers,ceramics,aswellascompositesoftheaforementioned.Variouskindsofpowdertakeresponsibilityofdifferentfeaturesofscaffolds,resultingfromtheadvantagesanddisadvantagesofdifferentmaterials.Althoughthistechniquehassomelimitationssuchashighcostandthedifficultyofcommercialproduction,itsapplicationstillhasabrightfuture.Subjectheadings:TissueEngineering;Cells;StentsYuQ,TianJ.Applicationofthree-dimensionalprintingtechniqueinmanufacturingscaffoldsforbonetissueengineering.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2015;19(30):4870-4875.0引言Introduction骨具有强大的自我修复的能力[1]，但无法完全修复大体积的骨缺损。全世界每年骨缺损的患者数以千万计，因肿瘤和创伤而造成的大体积骨缺损是临床上进行骨修复和移植的主要原因[2]。治疗骨缺损最理想的材料就是自体骨，但是自体骨来源有限，同时增加了患者的痛苦，不能满足临床需要[3]。骨组织工程的出现，为这一难题提出了新思路。骨组织工程基本出发点是以“诱导成骨”的方式而非单纯以“爬行替代”的方式实现骨的修复和再生。近年来，随着骨组织工程的研究深入，支架材料的制备以及其制备的方法也成为研究重点[4]。骨组织工程支架的传统制备方法包括溶液浇铸/离子洗出法、原位成型法、静电纺丝法、相分离/冻干法、气体成孔法等[5-7]，虽然这些工艺也获得了但比较满意的效果，但不能实现对支架材料和孔隙结构的精确控制，结构形状也无法做到与骨缺损部位的解剖结构完全契合，从而不能实现个性化植入物的制备。3D打印技术的出现，有效地弥补了这些不足，迅速在骨组织工程支架成型中得到广泛应用。3D打印技术为快速成型技术的一种，是一种基于三维数字模型，应用粉末状或液体的金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印方式来构造实物的技术。由于其无需模具，可直接根据计算机三维图形数据“打印”出任何形状物品，甚至能够控制所打印物品内部细微结构，这使3D打印技术在构建骨组织工程支架的优势得以体现。虽然3D打印技术应用于骨组织工程支架的构建具有很多优势，但仍处于起步阶段，应用于临床扔面临很多挑战。本篇综述主要包括4个部分，分别为骨组织工程支架、骨组织工程支架中的3D打印技术、用于3D打印构造骨组织工程支架的材料和讨论。1资料和方法Dataandmethods1.1资料来源第一作者应用计算机检索1990年1月至2015年2月MEDLINE数据库、ScienceDirect数据库、中国期刊全文数据库、维普中文期刊网等有关3D打印技术在构建骨组织工程支架中应用的文章，英文检索词“three-dimensionalprinting，tissueengineering，rapidprototypingtechnology，scaffold，materials”，中文检索词“3D打印、组织工程学、快速成型技术，支架、材料”，排除重复性研究。共检索到52篇相关文献，其中外文文献40篇，中文文献12篇。1.2纳