在生物材料上实现3d打印目的

3D打印技术(three-dimensional printing, 3DP), 又名快速成型、实体自由成型、增材制造等, 是基于离散-堆积原理, 在计算机辅助下通过层层堆积形成三维实体的有别于传统减材制造的先进制造方法.因高精度、个性化制造及复杂形状构建上的独特显著优势, 3D打印渗入了各行各业并引领创新, 引发全球制造业产生革命性变革.

在生物医药领域, 3D打印技术通过对生物材料或活细胞进行3D打印, 可构建复杂生物三维结构如个性化植入体、可再生人工骨、体外细胞三维结构体、人工器官等.以3D打印技术为基础的组织工程支架和器官打印技术的发展是目前3D打印技术研究的最前沿领域, 也是3D打印技术中最具活力和发展前景的方向之一.当前以组织器官修复与重建为目的, 国际上开发了各种生物3D打印技术, 包括用于组织工程支架构建的熔融挤出技术、基于喷墨技术的细胞打印、细胞和细菌的激光直写以及T细胞和细菌的微接触印刷等.

生物3D打印涵盖的内容十分广泛, 根据打印材料的不同可将其划分为4个层次的应用:

a. 个性化体外模型制造.材料为无需生物相容性和降解性的工程材料, 主要为手术规划、假肢设计、测试标准等制造体外的模型.

b. 个性化植入体制造材料.为具有良好生物相容性且不易降解的生物材料, 如钛合金、聚氨酯类聚合物等, 用于制造人工假肢植入物、组织缺损部位支撑和替代, 以及整形外科.

c. 可降解组织工程支架制造.针对组织工程应用, 要求材料既具有良好的生物相容性又有匹配的降解性能, 避免自体或异体组织移植中的问题.以支架模拟细胞外基质, 相应细胞在支架上经体外培养后植入体内, 诱导组织再生与修复.

d. 细胞三维结构体的人工构建.材料为活细胞及其外基质材料, 如肝细胞-明胶、干细胞-胶原等, 用于构建三维细胞结构体、体外三维细胞模型及组织或器官胚体等.

这4个层次的生物3D打印对生物医学领域的基础研究、药物筛选和临床应用都具有重要的促进作用.

通常, 生物3D打印的实施包含3个步骤:(影像)数据获取与三维模型设计、打印墨水(材料和细胞)选择和组织构架的3D打印工艺.

1.1 (影像)数据获取与三维模型设计

为实现打印组织或器官最终的功能性及复杂结构的精确复制, 在打印之前采用医学影像检查方法收集组织结构和组成信息以构建打印模型是至关重要的.最常见的两种影像学手段是CT(计算机X射线断层成像)和MRI(磁共振成像).牙科领域为获得图像数据还会使用锥形束计算机断层扫描(CBCT).这3种技术均可获得二维截面的解剖信息, 通过专业软件对系列截面的三维重构建模即可得3D打印机接受的STL格式图形文件, 继而最终制造出生物产品三维实体.

近十多年来, 欧美等发达国家科研机构对于医学图像三维重建技术的研究相当活跃, 其技术水平正从后处理向实时跟踪和交互处理发展, 并且已经将超级计算机、光纤高速网、高性能工作站和虚拟现实结合起来, 代表着这一技术领域未来的发展方向.在市场应用领域, 目前已有多个较为成熟的商品化三维医学影像处理系统.

1.2 生物材料打印墨水的选择

基于生物应用指向的3D打印技术, 其打印材料组成与其他领域3D打印材料相比具有更多特殊要求.例如, 高温烧结、有机溶剂、紫外辐照和交联剂等条件在生物3D打印过程中往往须尽量避免.具体来说, 根据应用目的须考虑以下要求:

a. 可打印性.材料的黏度、流变和凝胶化等性能直接影响到3D打印的可操作性, 决定打印制品的空间和时间分辨率.

b. 生物相容性.包含生物安全性和生物功能性.材料不仅要求很低的毒性及不引起机体的任何不良反应, 而且也要求材料在特定的应用中激发机体的相应功能.

c. 降解性.包括材料的降解速度可控性、与组织再生速度的匹配性、降解产物安全性、材料的溶胀和收缩特性等.

d. 结构与机械性能.3D打印的材料往往具有支撑细胞和组织三维结构的作用.针对特定的组织类型, 从皮肤、肌肉、软骨到硬骨, 材料打印后须具有不同的力学强度和微结构, 尤其是材料的孔隙.

e. 仿生学特性.材料仿生学特性有利于刺激细胞响应.在生物材料中掺入生物活性组分可对内源或外源细胞的粘附、迁移、增殖及功能表达产生积极作用.另外, 材料表面性质如化学基团的修饰、粗糙度、亲疏水性、微纳米结构等直接影响到细胞的铺展形状、分化过程、运动、取向、细胞骨架的组装, 甚至是细胞内部的相关信号通路.

1.3 生物材料3D打印工艺

用于生物材料, 包括材料/细胞复合体材料的3D打印技术手段主要有两种类型:喷墨生物打印和注射式生物打印.两者在打印产品的表面分辨率、细胞存活率以及生物活性材料选用等方面具有不同特点。

喷墨式3D打印机是目前生物3D打印领域最常见的打印机类型, 可实现连续和按需喷射.实际上, 3D喷墨打印机是从传统的2D打印机发展而来, 其原理差别不大, 只是利用生物材料替代打印墨水, 利用一个可升降的平台替代纸张, 是低成本和经济性的3D打印机.目前, 多个研究团队正致力于研究开发能够实现高分辨率和高精确度的含细胞液滴的3D打印, 打印液滴体积可控制在1~300 pl, 每秒喷射速度可在1~10 000滴范围内调节, 可以准确地打印成宽约50 μm的图案.

目前, 喷墨式3D打印机挤出墨水的方式有热驱动和声驱动两种.热驱动式打印喷头通过局部电阻加热产生气泡, 挤压喷头内液体获得液滴.这种热泡挤压打印喷头尽管使用范围较广, 打印速度较快, 但是其在液滴方向、均匀性和尺寸控制上表现得不尽如人意, 且喷射过程中产生的热应力、喷头堵塞、细胞裸露等问题往往对打印产生不利影响.为克服以上问题, 可通过压电器件的逆压电效应造成材料变形, 使喷头内液体体积和压力发生变化而挤出液体.声驱动打印喷头以声波配合超声场来喷射液滴, 挤压出的液滴大小和挤压速度可由超声强度、时间、脉冲等参数实现控制.喷墨式3D打印在挤出墨水时产生的剪切力容易对细胞造成损伤, 而且要求挤出的材料必须是液态的形式, 极大地限制其应.因此, 提高喷墨式3D打印细胞存活率及优化打印工艺仍然面临挑战.

与喷墨式生物3D打印相比, 注射式生物3D打印直接采用压缩空气或通过压缩空气直线电动机推动的活塞将注射筒中的材料连续挤出, 对于黏度较大的“生物墨水”的打印优势更为明显.目前已有文献报道的注射式3D打印材料种类相当丰富, 黏度范围30~6×107 mP·s, 可同时涵盖打印所需的高强度支撑材料和低黏度含活细胞材料.注射式的喷头设计可处理高浓度的细胞悬浮液, 具有构建高细胞浓度的组织和器官的潜能.含多种细胞的细胞团在被挤出沉积后得到的细胞团聚体, 在一定程度上具有了类似细胞外基质材料的力学性能和功能, 因而可作为自组装的单元在粘弹性能驱动下发生融合和自组装, 形成3D结构.这种细胞团自组装打印技术对器官打印时内部血管网络的构建具有独到之处.

来源：上海理工大学学报