《3D打印技术在骨组织支架材料的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3D打印技术在骨组织支架材料的应用.docx（5页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、3D 打印技术在骨组织支架材料的应用摘要 目的：应用传统方法制作骨组织工程支架取得确定成就，但在支架的三维构造、力学强度、支架共性化方面不太满足，通过 3D 打印技术制作支架的方法有望转变这些缺乏。前景：对 3D 打印技术制作骨组织工程支架作一综述 ，对支架的将来优化进展展望。当前3D 打印技术已被应用于工业制造、医学等方面 。在生物医学方面，3D 打印技术已近被应用于器官及细胞打印、组织工程支架及假体植入物 、器官模型的制作及手术指导筹划1。关键词 3D 打印技术 生物医学 骨组织 前景前 言 ”组织工程“是 20 世纪 80 年月提出的一门兴穿插学科。其根本含义是应用工程和生命科学的根本原
2、理和技术，在体外构建具有生物功能的人工替代物，用于修复组织缺损，替代失去功能或衰竭的组织，器官局部或全部功能。组织工程的争论范围很广，几乎涉及人体的全部器官，如骨，软骨，肌腱，皮肤，血管，肝脏，神经，牙，角膜等。在组织工程的争论中，组织工程支架材料是其根底，是组织工程领域中的一个不行或缺的环节。 组织工程支架材料依据用于不同人体组织及具体替代组织具备的功能所设计。组织工程支架材料包括：骨、软骨、血管、神经、皮肤、肌腱、角膜、肝脏等的组织支架材料。目前构建的骨组织工程支架还很不完善,在力学性能、降解速度、结 构形态、生物活性等方面仍有很多问题亟待解决。随着骨组织工程及其相关领域争论的深入 和进步
3、,骨组织工程支架的争论将会具有突破性的进展。在骨组织工程中，3D 打印技术已经起着很重要的作用。广义的 3D 打印技术又称快速成型技术,是一种以数字模型为根底，在计算机把握下 以逐层打印的方式构造物体的技术。应用此技术可构造出任何外形的物体。1、3D 打印技术3D 打印技术3D printing，即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为根底，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正渐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用比方髋关节或牙齿，或一些飞机零部件已经有使用这种技术打印而成的零部件。“3D 打
4、印技术”意味着这项技术的普及。3D 打印技术通常是承受数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。2、骨组织2.1 常用的骨组织工程支架材料：人工骨支架材料可分为两类，即生物降解和非生物降解型。早期的人工骨支架材料都是非生物降解型的，这类材料有：高聚物碳素纤维，涤纶，特氟隆，金属材料不锈钢，钴基合金，钛合金，生物惰性陶瓷氧化铝，氧化锌，碳化硅，生物活性陶瓷生物玻璃，羟基磷灰石，磷酸钙等。这些材料的特点是机械强度高耐磨、耐疲功、不变形等，生物惰性耐酸碱、耐老化、不降解。但存在二次手术问题，因此人们开头争论使用可生物降解并具有生物活
5、性的材料，这类材料有纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、聚醇酸及其共聚体、聚乳酸和聚羟基酸类、琼脂糖、壳聚糖和透亮质酸等多糖类。目前争论和使用的骨组织支架材料是降解材料或降解和非降解材料的结合2。2.2 抱负骨组织支架材料的特征生物相容性和外表活性：有利于细胞的黏附，无毒，不致畸，不引起炎症反响，为细胞的生长供给良好的微环境，能安全用于人体。骨传导性和骨诱导性：具有良好骨传导性的材料可以更好地把握材料的降解速度，具有良好骨诱导性的支架材料植入人体后有诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化并促进其增殖的潜能。适宜的孔径和孔隙率：抱负的支架材料孔径最好与正常骨单位的大小相近(人骨单位的 平均大小约为 22
6、3 m)，在维持确定的外形和机械强度的前提下，通常要求骨组织工程支架材料的孔隙率应尽可能高，同时孔间具备连通孔隙，这样有利于细胞的黏附和生长， 促进骨向材料内部的长入，利于养分成分的运输和代谢产物的排出机械强度和可塑性：材料可被加工成所需的外形，并且在植入体内后确实定时间内仍可保持其外形。3、3D 打印技术在构建骨组织支架材料的争论状况3D 打印技术制作骨组织工程支架的试验争论 目前可用作骨组织工程支架制作的3D 打印技术有熔融层积成型、立体平版印刷、选区激光烧结及3DP 技术等。3.1 熔融层积成型 熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热溶化，同时三维喷头在计算机的把握下，依据截面轮廓信息
7、，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后 ，机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层，直至形成整个实体造型。熔融层积成型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。熔融层积成型技术的优势在于制造简洁、本钱低廉，此技术可用不同材料制作不同组织，各解剖构造可分别用不同颜色、类型的材料制成以示区分，但打印出的支架在精度及外表质量方面还不抱负，而且高温可能破坏原材料的化学成分，同时温度对于熔融层积成型效果影响格外大，成品效果照旧不够稳定，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少承受熔融层积成型技术，且该技术不能打印生长因
8、子 、蛋白质 、细胞 ，限制了其在医学支架方面的进一步应用，耗时较长可达 24 h。3.2 立体平板印刷 SLA又称为光敏液相固化法、光固化成形、立体光刻等，是最早消灭的技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。它是在树脂槽中盛满液态光敏树脂，使其 在激光束或紫外线光点的照耀下快速固化。这种工艺方法适用于制造中小型工作，能直接得 到塑料产品。它还能代替蜡模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模，环氧树脂模和其它软模 的母模，是目前较为成熟的快速原型工艺。近年来单纯以光过敏树脂为材料通过立体平板印刷法打印骨组织工程支架已有较多的 报道。通过此法制备的支架具有人松质骨的力学强度，并可促成骨细胞增殖及粘附。争
9、论表 明，用混合材料制作的支架比单纯的光过敏树脂制作的支架在力学强度、组织相融性、成骨 性方面更有优势。Kim 等以聚富马酸二羟基丙脂/羟基磷灰石为原料，通过此技术制备了复合支架材料、复合支架材料孔隙构造、孔隙相通。孔隙大小及力学强度比单纯的聚富马酸二羟丙脂更有优势，且参与羟基磷灰石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。同样以磷酸酯寡聚体-双甲基丙烯酸酯/羟基磷灰石为原料，利用立体平板印刷技术制成的复合材料更能促进骨形成及材料骨的结合。3.3 激光选区烧结(Selected Laser Sintering , SLS )承受 CO ：激光器对粉末材料(塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合
10、粉、金属与粘结剂的混合粉等)进展选择性烧结，是一种由离 散点一层层积存成三维实体的工艺方法。激光选区烧结在开头加工之前，先将充有氮气的工 作室升温，并保持在粉末的熔点以下。成形时，送料筒上 升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机把握下依据截面轮廓对实心局部所在 的粉末进展烧结，使粉末熔化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高 度，再铺上 一层粉末，进展下一层的烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最终经过 10h 冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成 后，取出零件，未经烧结的粉末根本可自动脱掉，并重复
11、利用。因此，SLS 工艺不需要建筑支撑，事后也不要为去除支撑而苦恼。3.4 3DP 技术 三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs 等人研制的。E.M.Sachs 于 1989 年申请了 3DPThree-Dimensional Printing专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP 工艺与SLS 工艺类似，承受粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型 缸下降一个距离等于层厚：0.0130.1mm,供粉缸上升
12、一高度，推出假设干粉末，并被铺 粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机把握下，按下一建筑截面的成形数据有选择 地喷射粘结剂建筑层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形 过程中起支撑作用，且成形完毕后，比较简洁去除。4、3D 打印技术在构建骨组织支架材料的成果近年来通过熔融层积成型法制作的单纯聚酯类支架在动物试验中具有确定的成骨作用， 但支架的力学强度、降解性仍不满 3。Schantz 等4以聚已内酯和磷酸钙混合物为支架材料， 通过熔融层积成型技术制备聚已内酯一磷酸钙支架，该混合支架降解速
13、率和力学强度较单纯 聚已内酯支架明显提高。Xu 等5在 CT 引导下承受熔融沉积成型技术制备聚己内酯，羟基磷灰石三维人工骨，仿照自然山羊股骨，全部的结果说明， CT 引导下的有熔融层积成型技术是一种简洁、便利、本钱相对较低的方法，适用于制作自然骨人工骨。此外，此技术制备的聚已内酯/羟基磷灰石人工骨更接近自然骨的力学，体外细胞生物相容性、生物降解力气良 好，具有适当的体内骨形成力气。因此，聚已内酯/羟基磷灰石三维人工骨可能在临床骨缺 损患者的治疗中的应用。在医疗行业，一位 83 岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由 3D 打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用 3D 打印产品做人
14、体骨骼的案例。同时应用 3D 打印技术制作的足踝矫形器不仅能实现个体化治疗 ，还能削减人工本钱和时间本钱 。对简洁的足踝外科手术，3D 打印模型和导向模板不仅能削减手术难度、削减术中透视次数，更能增加手术准确性。此外，3D 打印技术也可应用于制造个体化植入物，随着3D 打印模型外表处理和几何准确度等技术的进步，3D 打印技术在直接打印植入物方面有巨大的进展空间 3 D打印技术在足踝外科的应用也比较广泛。5、前景骨组织支架材料应具有高度互连的多孔构造，适当的机械和生物性能，为了使支架性能更加良好，当前争论者多承受混合原料制作支架。多为科学家选用激光选区烧结技术制作多孔磷酸三钙支架，也用选区激光烧
15、结技术联合AM 法建立了三维聚乙内酯支架，具有良好的宏观和微观特征。6、亟待解决的问题集医学影像技术、计算机关心技术与制造于一 身的 3D 打印技术 ，有望便捷 、快速地为患者量体裁衣 ，制备共性化的植入物 ，使患者告辞过去那种“削 足适履”的传统治疗方式。3D 打印技术的应用还可以有效促进医患沟通 ，在与病人的谈话中，在利用 3D 打印技术制好的模型上生动 、形象地向患者及家属描述病情并告知其手术中的操作等 ，真正的让病人感觉“明明白白”治病 ，有效缓和医患之间紧急的关系 ，具有显著的临床效益。利用 3D 打印技术制造的医用植人体比传统更轻、更结实，满足共性化要求 ，独特的空间成型技术 ，可
16、按治疗需求形成空间支架 ，外表仿生孔隙，从而具有更佳的生物相容性，尽可能接近生理功能要求，给骨组织修复的个体化治疗带来了革命性的转变6。总之，将来通 过 3D 打印机将组织干细胞、支架材料、生长因子、信号分子、蛋白质等在计算机软件把握下， 通过 3D 打印技术最终打印出有生命、有生理功能的骨组织工程器官，这在医学界有着格外宽阔的前景。3D 打印技术作为一项革命性技术 ，它可以直接将三维数字模型打印为更直观、立体的虽然随着技术的进步，3D 打印模型的本钱逐年稳步下降，但仍相对稍高 ；其次 ， 3D 打印耗时仍过长 ，较难应用于急诊手术 ；最终，3D 打印技术的应用仍处于试验阶段，其应用范围需更多
17、的探究，实际疗效需临床争论验证5。争论3D 打印技术应用于骨组织工程支架已取得了可喜的成果，并且蕴含着不行估量的前景。但是目前来讲， 3D 打印应用于骨组织工程支架并不是完善的，仍需生疏到其存在的问题与缺乏 。 3D 打印的费用比较昂贵，不仅打印设备及运行费用较高，其材料从前期粉末的制成到后期的烧结过程花费也不容无视 ，打印 1 个头颅模型的花费高达 1 0002 000 美元 ， 这种花费对于中国国情来说并不现实，也限制了其在国内的进展 ；实现共性化定制虽是3D 打印的一项优势，但是 ，从另一角度讲不利于大规模批量的商业生产；由于 3D 打印最初用于工程学而并非医学，应用于支架的构建时是一个
18、跨学科的过程 ，涉及两个领域的专业学问 ，而目前医学争论人员与工程学争论人员的争论领域和学问构架相对独立，缺乏特地的技术人才 ，这也是今后 3D 打印更广泛应用于医学所必需解决和改善的问题 ；另外，在不同粉末材料的选择上并无统一的标准 ，在分析各材料的优劣性时仍无系统牢靠的指标或缺乏充分的试验证据 ，仍需进一步争论从构造 、功能、临床效果等多方面来综合评价其材料的优点与缺点；3D 打印后的支架需保持确定的生物相容性 ，如何增加材料的生物相容性及更接近 。体内微环境的模拟仍需进一步探究；细胞在 3D 支架材料内部的粘附、生长、分化与细胞与环境的作用机制仍需大量争论来说明。实物模型，便利医生在个体
19、化的模型上进展疾病的诊断并加强针对性 的操作练习等。然而 ， 3D 打印技术应用于骨组 织修复 尚存在以下几方面的问题 ：(1)3D 打印技术标准与评估的完善 ：以“激光快速成型术 的制作工艺和应用技术”为例，相关的行业标准尚未出台，无法评估激光成型过程中是否破坏植人物内部三维构造、外部精度以及力学性能 (如强度、构件疲乏、断裂韧性)等。(2)材料的研发需求 ：3D 打印技术对打印材料要求较高，因该技术是将原材料逐层打印， 然后黏合在一起 ，所以制造生产出来的模型机械强度差 ，是否能适应长期 的高强度使用尚不得而知。 因此 ，选择制造适宜 的材料 成为 3D 打印技术能否被顺当应用于临床的关键
20、环节 ，开发能够适合医学应用的 3D 打印材料是当务之急。(3) 相关政策法规滞后 ：3D 打印技术涉及到学问产权、人类伦理、危急品制造等多方面领域， 目前尚无明确的相关政策及法律与之相辅相成 。(4)费用偏高 ：3D 打 印设备大都价格昂贵，且设备的运行 、打印材料 的购置及专 业人员的相关费用均是一笔不菲的开销 ，并且由于是个体化模型制造 ，因此难以用于批量生产以降低本钱。(5)时效性偏低 ：虽然 3D 打印技术是一种快速成型技术 ，且能有效缩短手术时间、提高手术安全性及准确性 ，然而从影像学资料的建立到实物模型打印及共性化假体与内植物的制造 ，整个过程耗时却不少。依据打印技术的不同及模型
21、大小和简洁与精细程度 ，整个过程耗时少则数小时 ，多则数天， 因此很难被运用到急诊手术当中。(6)应用条件与推广应用的限制 ：3D 打印技术在医院的使用照旧受到诸多条件限制。目前已经将 3D 打印运用到临床上的医院，往往是一些大型医院，且为此特地建立了 3D 打印试验室，由生物材料、生物工程、影像学处理等领域的专业人士组成 ，而这些人力资源大局部医院是不具备的6。参考文献1龚明明 中国科学院学问创工程重要方向工程”生物活性植入材料的应用争论”曹雪飞 ，宋朋杰，乔永杰，甄平 3D 打印骨组织工程支架的争论与应用 兰州2大学其次临床医学院 20231930 4076-4080345678中国组织工
22、程争论与临床康复 2023 年 第 8 期 1529-1532 页于强 ，田京 构建骨组织工程支架中应用的 3D 打印技术 中国组织工程争论20231930：4870-4875姜雨晨，陈雁西 3 D 打印技术在足踝外科的应用价值国际骨科学杂志 2023301 15-17易超然 ，罗婕姝 ，王文军 ，王麓山 3D 打印技术在骨组织修复个体化治疗中的应用进展 中南医学科学杂志 2023433 330-333李鹏 谈 3D 打印技术的优势 科技探究 20233485S. Vogt,Y. Larcher, B. Beer, I. Wilke and M. Schnabelrauch FABRICATION OF HIGHLY POROUS SCAFFOLD MATERIALS BASED ON FUNCTIONALIZED OLIGOLACTIDES AND PRELIMINARY RESULTS ON THEIR USE IN BONE TISSUE ENGINEERING European and cell materials 20234 30-38