3D 打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展.docx
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3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展
第6期
2013年6月
高分子学报
ACTAPOLYMERICASINICA
No．6Jun．,2013
722
*庆祝王佛松院士80华诞专稿;2012-12-27收稿,2013-01-21修稿;国家自然科学基金（基金号51003103,21174142,51173184,21074129,51021003,51233004和科技部国际合作与交流专项（项目号2011DFR51090资助项目．**通讯联系人,
E-mail:
xschen@ciac．jl．cndoi:
10.3724/SP．J．1105.2013.12430
·综述·
3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展
*
贺超良汤朝晖田华雨陈学思
**
（中国科学院长春应用化学研究所中科院生态环境高分子材料重点实验室
长春
130022
摘要3D打印技术能够根据不同患者需要,快速精确制备适合不同患者的个性化生物医用高分子材料,并
能同时对材料的微观结构进行精确控制．因此,
这种新兴的医用高分子材料制备技术在未来生物医学应用（尤其是组织工程应用中具有独特的优势．近年来,对于3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究开发受到了越来越多的关注．不同的生物相容高分子原料被应用于3D打印技术,而这些3D成型高分子材料被用于体外细胞培养,或动物模型的软组织或硬组织修复中．本文主要介绍了近年来3D打印技术在生物医用高分子材料制备中的研究进展,并对该领域的未来应用和挑战进行了展望．关键词
3D打印技术,个性化,医用高分子,组织工程
3D打印技术（又称3D快速成型技术或增材制造技术是20世纪80年代后期开始逐渐兴起的一项新兴制造技术,它是指在计算机控制下,根据物体的计算机辅助设计（CAD模型或计算机断层扫描（CT等数据,
通过材料的精确3D堆积,快速制造任意复杂形状3D物体的新型数字化成型技术
[13]
．3D打印技术的基本制造过程是按
照“分层制造、
逐层叠加”的原理．例如,可以根据CT等成像数据,经计算机3D建模转换后,再以STL格式文件输入到计算机系统中,并分层成二维切片数据,通过计算机控制的3D打印系统进行逐层打印,叠加后最终获得三维产品．目前应用较多的3D打印技术主要包括光固化立体印刷（SLA、熔融沉积成型（FDM、选择性激光烧结（SLS和三维喷印（3DP等（图1[3]
．
Fig．1Schematicillustrationsoftypical3Dprintingtechnologies:
（astereolithography（ReprintedfromRef.[4];Copyright
（2010,withpermissionfromElsevierand（bfuseddepositionmodeling（ReprintedfromRef．[5];Copyright（2002,withpermissionfromElsevier
6期贺超良等:
3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展
3D打印技术的应用领域也在随着技术的进步而不断扩展,包括生活用品、机械设备、生物医用材料,
甚至是活体器官[6]
．在生物医学领域,目
前3D打印技术在国际上已开始被应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造、以及细胞或组织打印等方面
[68]
．例如,在骨科、口腔颌面外科等外科
疾病中通常需要植入假体代替损坏、
切除的组织,以恢复相应的功能以及外观,然而,目前临床所使用的替代材料都是按照固定模式制造,难以与患者的缺损部位完美匹配,无法获得十分满意的效果．而利用3D打印技术则可以根据不同患者的CT、磁共振成像（MRI等成像数据,快速制造个性化的组织工程支架材料,甚至可以携带细胞对组织缺损部位进行原位细胞打印,
该技术不仅能实现材料与患者病变部位的完美匹配,而且能在微观结构上调控材料的结构,以及细胞的排列,更有利于促进细胞的生长与分化,
获得理想的组织修复效果．因此,在近年来,3D打印技术被越来越多的应用于生物医用材料的制备．另外,生物相容与生物可降解高分子在生物医学应用,尤其是组织工程应用中具有独特的优势,因此,3D打印技术应用于制备生物医用高分子材料的研究在近年来取得了显著的进展．本综述着重总结了近年来利用不同的3D打印技术在制备生物医用高分子材料,
包括生物可降解组织工程支架材料、水凝胶,以及携带细胞的生物打印系统方面的研究进展
．
Fig．2（ASEMimagesofPPFscaffoldswith（a,chexagonand（b,dsquareporesfabricatedbySLA（Reprintedwith
permissionfromRef．[11]
;Copyright（2007AmericanChemicalSocietyand（BSEMimagesofporous（PLA-FA3
gyroid
structuresbuiltbySLA（ReprintedwithpermissionfromRef．[13];Copyright（2009AmericanChemicalSociety
1
光固化立体印刷
1.1
生物可降解组织工程支架
光固化立体印刷技术（SLA使用的原料为液
态光敏树脂,也可在其中加入其他材料形成复合材料．它是采用计算机控制下的紫外激光束以计算机模型的各分层截面为路径逐点扫描,使被扫描区内的树脂薄层产生光聚合或光交联反应后固化,当一层固化完成后,在垂直方向移动工作台,使先前固化的树脂表面覆盖一层新的液态树脂,逐层扫描、固化,最终获得三维原型（图1（a．SLA技术具有高精度、性能稳定、产品力学强度高等优点,其缺点是成型产品需要清洗除去杂质,可能造成产品变形．SLA技术是目前技术最成熟和应用最广的3D打印技术．
目前常用于SLA技术制备生物可降解支架材料的高分子原料包括光敏分子修饰的聚富马酸二羟丙酯（PPF、聚（D,L-丙交酯（PLA、聚（ε-己内酯（PCL、聚碳酸酯,以及蛋白质、多糖等天然高分子．为了降低液态树脂原料的黏度,还需要加入小分子的溶剂或稀释剂,常用的如可参与光聚合反应的富马酸二乙酯（DEF和N-乙烯基吡咯烷酮（NVP,以及不参与聚合反应的乳酸乙酯
[9,10]
．该技术获得的3D成型材料具有可调控
的孔尺寸、孔隙率、贯通性和孔分布[11]
．韩国浦项
科技大学Cho等以PPF为原料,
通过利用SLA技术制备的多孔支架具有与人松质骨相似的力学性质,
并发现支架能促进成纤维细胞的黏附与分3
27
高分子学报2013年
化
[12]
．通过将PPF支架移植到兔皮下或颅骨缺损
部位的实验表明,PPF支架会在动物体内引起温和的软组织和硬组织响应
[12]
．移植2周后会出现
炎性细胞、血管生成和结缔组织形成,然而,到第8周,炎性细胞密度降低并形成更规则的结缔组织．
Table1
Examplesofscaffoldsfabricatedby3Dprinting
Material3Dprintingtechnology
ApplicationRef．OCM-2/HA
SLAMandibularscaffold[28]Hyaluronicacidderivative
SLA
Auriclescaffold[39]PEGT/PBT
3Dfiberdeposition
Femoralandtibialscaffolds[50]PCL
SLSMandibularcondylescaffold[57]PLGA（95/5/HA
SLSModelofahumanfourthmiddlephalanx
[64]Ca-P
SLS
Proximalfemoralcondylescaffold
[65]
脂肪族聚酯（如聚（D,
L-丙交酯（PLA和聚（ε-己内酯（PCL由于具有良好的生物相容性和可调节的生物降解性能,因此目前被广泛应用于生物医用领域．以脂肪族聚酯为原料的3D打印成型技术也受到了越来越多的关注．荷兰屯特大学Grijpma等以富马酸封端的3臂聚（D,L-丙交酯（（PLA-FA3为原料,
N-乙烯基吡咯烷酮（NVP为稀释剂和共聚单体,通过立体印刷技术制备了具有规整螺旋孔结构的可降解组织工程支
架（图2（B
[13]
．支架材料的亲水性可以根据NVP共聚单体的含量调节．支架材料的杨氏模量则受到材料的含水量的影响．经水中浸泡后的支架,杨氏模量随着NVP含量的增加而降低,而干燥状态下的材料的杨氏模量则随着NVP含量的增加而升高．研究发现该支架材料能促进鼠前成骨细胞的黏附与增殖．另外,同一课题组还以甲基丙烯酸酯封端的线性或多臂PLA为原料,以乳酸乙酯为非反应稀释剂,制备了可降解的多孔支架
[10]
．支架材料的力学性质受到原料分子量的影响,如以较高分子量的线性PLA为原料的产品具有较高的力学强度,
而多臂PLA原料臂长只有高于600g/mol时才具有较好的力学性质．聚（ε-己内酯（PCL由于具有较低的熔点,因此以双键修饰的PCL为原料,可以不需要添加溶剂,这样能避免支架材料中残留溶剂
[14]
．研究发现,获得的
支架与CAD模型能精确匹配,
没有发生明显的收缩．材料的平均孔径和孔隙率分别为465μm和70.5%．以双键修饰的脂肪族聚酯,如PLA或聚（D,L-乳酸-ε-己内酯（PLACL为原料,根据模型设计,可制成具有不同内部孔结构的生物可降
解支架材料,如立方形、菱形、螺旋行等孔结构
[15]
．获得3D成型产品的整体结构对应于CAD
模型的精确度达到95%．
聚碳酸酯也是一类应用广泛的生物降解高分子材料．因此,聚碳酸酯也被用于立体印刷的树脂原料．日本九州大学的Matsuda等以丙烯酸酯修饰的聚（三亚甲基碳酸酯（PTMC为原料,通过微立体印刷技术,制备了三维微柱、微条、微锥和多微通道结构
[16]
．在材料中引入聚乙二醇（PEG
组分会降低材料的细胞黏附性．通过在老鼠皮下的移植实验,发现PEG的含量与分子量会对材料的溶胀率、
降解速率,以及药物担载和释放能力产生明显的影响．此外,支架的几何形态（如孔径对于材料的细胞黏附性产生明显的影响
[1719]
．
支架材料的物理参数（如力学硬度、孔径、通道几何形状等能对细胞的信号表达和分化产生显著影响．研究发现,对于具有螺旋孔结构的支架,具有较大孔径的材料能获得较高的细胞密度
[20]
．具有高渗透性、多孔通道和力学硬度的支
架能明显促进成骨细胞的信号表达[21]
．此外,3D
成型支架材料的生物相容性和细胞/组织响应性可以通过引入生物活性分子来调节．通过使用生物活性短肽（如RGD、
生物素等对材料进行表面修饰,可以调节材料与细胞的相互作用,能促进细胞在材料表面的黏附、增值与分化
[2224]
．另外,
考虑到（甲基丙烯酸酯的残留可能会造成对皮肤的刺激及其他毒性,具有较低细胞毒性的乙烯酯也被用于立体印刷的原料单体
[25]
．乙烯酯具有
与（甲基丙烯酸酯相当的转化率和产品压痕模量．通过细胞实验对比,乙烯酯具有比（甲基丙烯酸酯更低的细胞毒性．将材料移植入成年新西兰白兔的股骨远端缺损部位后,组织学分析显示材料具有良好的动物体内相容性．
由于羟基磷灰石（HA具有优良的骨诱导性能,
因此HA与光敏高分子一起作为原料,可用于制备具有生物活性的骨组织工程支架材料．韩国
4
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6期贺超良等:
3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展
浦项科技大学Cho等使用PPF/HA为原料,制备了3D复合支架材料[26]．获得的支架材料的孔和骨架结构均一,且孔间相互贯通,使用HA粉末能有效地产生纳米/微米尺度形态．加入HA能进一步促进胚胎成骨细胞前体细胞在支架上的黏附和增殖．日本东京医科大学的Matsuo等以聚（L-乳酸/HA（PLLA/HA为原料,制备了可吸收多孔托架,辅助牙齿移植材料一起,用于下颌骨肿瘤切除后的下颌骨重建,获得了比金属钛支架更好的修复效果[27]．另外,以碳酸酯寡聚体-双甲基丙烯酸酯（OCM-2/HA为原料,利用立体印刷技术制成的复合材料能促进骨形成,以及材料与骨的结合[28,29]．尤其是,材料经过超临界CO
2
处理后,增加了材料与骨组织的接触面积,显著提高了材料的生物相容性．
1.2生物可降解水凝胶
水凝胶是一种具有高水含量的亲水性或双亲性聚合物三维网络[30,31]．由于水凝胶具有良好的生物相容性,以及与人体软组织相似的力学性质,因此被广泛应用于组织工程支架材料与药物的可控释放中．目前,传统的水凝胶制备方法主要是通过高分子链间的化学反应或物理相互作用,难以实现对水凝胶外部和内部结构的精确调控．而3D打印技术则能实现对材料外部形态和内部微结构的精确调控,有利于调控细胞的分布,以及材料与生物体的匹配,因此具有独特的优势．适用于立体印刷技术制备水凝胶的常用原料包括（甲基丙烯酸酯封端的PEG,并可通过引入细胞黏附肽RGD、肝素等生物分子,实现在微观结构上调控细胞的黏附或生长因子的释放[32]．材料的性质受到紫外光照时间和原料浓度的影响[33]．美国德克萨斯大学埃尔帕索分校的Arcaute等以PEG双丙烯酸酯（PEG-DA为原料,利用立体印刷技术制备了具有多内腔结构的水凝胶神经导管支架[34]．该支架材料经冻干/溶胀后,能较好的维持材料的初始形态,适合于体内移植．具有较高PEG含量的水凝胶具有较好的抗缝合线拔出强度,而具有多内腔的导管比只含有单内腔的导管表现出更高的抗压强度,与市售的神经导管的抗压能力相当．美国康奈尔大学的Butcher等以PEG-DA/藻酸盐复合原料制备了主动脉瓣水凝胶支架（图3（a[35]．该水凝胶的弹性模量可在5.374.6kPa范围内变化．制备较大的瓣膜可获得更高的精确度．种植于水凝胶支架上的猪主动脉瓣间质细胞在培养21天后具有接近100%的存活率．另外,通过立体印刷技术,以甲基丙烯酸修饰的PLA-PEG-PLA三嵌段共聚物为原料,可以制备出多孔或非多孔水凝胶,材料具有较窄的孔径分布、良好的贯通性和力学性质[36]．所得的水凝胶能促进人间充质干细胞的黏附和生长
．
Fig．3（aPrintedheterogeneousvalve,whererootwasformedwith700MWPEG-DAhydrogelwhiletheleafletswereformedwith700/8000MWPEG-DAhydrogels．Keyfeaturessuchasthecoronaryostiumandsinuseswerepresented（ReproducedwithpermissionfromRef．[35];Copyright2012IOPPublishing．（bPhotographof3Dprintedhyaluronicacid/dextranhydrogel（Scalebarindicates25mm;ReprintedwithpermissionfromRef．[37];Copyright（2011AmericanChemicalSociety
天然高分子也可作为立体印刷技术的原料制
备水凝胶．例如,以甲基丙烯酸酯修饰的明胶为原
料,制备了微结构可控的水凝胶[38]．水凝胶的力
学性质可以通过改变原料结构和高分子浓度来调
节．材料孔结构的贯通性能促进人脐静脉内皮细
胞（HUVEC的均一分布和分化,并能维持细胞的
表型和生物功能（图4．另外,以苄酯修饰的透明质酸衍生物或甲基丙烯酸羟乙基酯（HEMA修饰的葡聚糖/透明质酸（Dex-HEMA/HAc为原料制备的3D水凝胶,具有良好的细胞相容性[37,39]．通过以苄酯修饰的透明质酸衍生物为原料,成功制备了耳廓支架[39]．
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年
Fig．4ImmunofluorescenceimagesshowingthebiologicalfunctionalityoftheHUVECseededscaffolds
ThepresenceofendothelialcellspecificmarkersCD31（aandvonWillebrandfactor（vWF;bshowedthattheconfluentendothelialcellsretainedtheirphenotypeduringthecultureperiod．Moreover,Ki67labeling（cshowedHUVECadheredonthescaffoldsandexpressingthismarker（arrows,d,indicatingaproliferativestateafter4daysinculture（ReprintedfromRef．[38];Copyright（2012,withpermissionfromElsevier
2熔融沉积成型
熔融沉积成型（FDM是采用热熔喷头,使得
熔融状态的材料按计算机控制的路径挤出、沉积,并凝固成型,经过逐层沉积、凝固,最后除去支撑材料,得到所需的三维产品（图1（b．FDM技术所使用的原料通常为热缩性高分子,
包括ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等．该技术特点是成型产品精度高、
表面质量好、成型机结构简单、无环境污染等,但是其缺点是操作温度较高．近年来,利用FDM技术制备生物医用高分子材料也受到越来越多的重视,
尤其是以脂肪族聚酯为原料制备生物可降解支架材料,取得了相当多的进展．材料的性质受到压力梯度、熔体流速、温度梯度等影响
[40]
．新加坡南洋理工大学的Hutmater等使用PCL为原料,通过FDM技术制备了蜂窝状、内部完全贯通的可降解3D组织工程支架
[5,41]
．材料的通道尺寸为160700μm,孔隙
率为48%77%．材料的压缩硬度可从477MPa范围内变化,而屈服强度为0.43.6MPa,屈服应变为4%28%．材料的孔隙率与压缩性质具有高度的相关性．人初级成纤维细胞与材料共培养后,
34周后发现细胞完全充满支架的空隙．当将表面含有骨髓间充质细胞的3D支架移植到猪眼眶的创口后,获得比没有支架材料或没有种植细胞的支架更好的新骨形成效果
[42]
．南洋
理工大学的Teoh等以PCL为原料,利用FDM技术制备了骨软骨复合支架,并将成骨细胞与软骨细胞分别种植于支架的两部分
[43]
．2种细胞在支
架中分泌出不同的细胞外基质,在成骨细胞种植区出现了较高的骨钙,而软骨细胞种植区测得了较高的碱性磷酸酶．该结果表明,这种3D打印的PCL支架可望应用于骨软骨修复方面．
荷兰乌特勒支药学研究所Hennink等
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