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  由于外傷、癌癥、感染和關節炎等引起的骨缺損患者日益增多，骨修復支架的需求量激增，而自體骨移植和傳統的組織工程方法難以滿足個性化定制的要求。增材制造（3D打印）技術能結合現代影像技術，對患者骨缺損部位進行快速的體外三維重建，并精準地制備出形狀各異的、具備合適尺寸和孔隙率的骨植入物/支架，從而減少實際手術時間，提高手術成功率，在臨床上具有較好的應用潛力。3D打印技術的快速發展以及骨修復生物材料的多樣化，使得在如何選擇合適的打印方法和材料方面存在困難。（理想的骨修復支架還應具有良好的生物相容性、優良的生物活性、適當的多孔結構、與骨組織相似的力學性能等。因此，選擇合適的增材制造技術和恰當的生物材料至關重要。）因此，研究者需要在充分了解增材制造技術特點、材料特性以及應用需求的基礎上，開發出具有臨床應用潛力的3D骨修復支架。

  近日，中山大學劉杰副教授課題組在《Advanced Healthcare Materials》雜志上在線發表了題為“Recent Developments of Biomaterials for Additive Manufacturing of Bone Scaffolds”的綜述，系統總結了近年來3D打印骨修復支架的研究進展。該綜述首先從3D打印技術的分類出發，對比分析了不同方法優勢和不足，及其對生物材料的原材料要求。之后重點介紹了用于3D打印骨修復支架的生物材料分類和應用，討論了打印方法和材料選擇對骨修復支架的幾何結構、力學強度、孔隙尺寸和生物學性能等的影響規律。隨后，全面總結了3D打印骨修復支架的臨床應用及其挑戰。最后，作者展望了3D打印骨修復支架在未來發展方向上需要解決的困難和問題，并且對其應用前景進行了分析和討論。本篇進展報告對相關領域的研究工作者有著十分重要的參考及借鑒意義。

  3D打印骨修復支架的過程主要包含四個關鍵步驟（圖1），首先應根據骨缺損部位研發合適理化性能的生物材料，然后選擇與之相匹配的打印方法，再通過對幾何結構的設計打印出具有可定制化的骨修復支架，最后對支架的生物學性能和骨修復效果進行評價。進一步，根據骨修復結果的反饋優化材料的性能、打印方法和支架的幾何結構。

圖1 3D打印骨修復支架的過程圖

  根據3D打印的基本原理，作者總結了五種常用的3D打印骨修復支架制造技術（圖2），分別是3D粉末打印（3DP）、選擇性激光燒結或熔化（SLS或SLM）、立體光固化（SLA），熔融沉積（FDM）和擠出式3D打印（EB）。不同的打印方式對于材料的理化性能要求不同，3DP，SLS和SLM常用于粉末材料的成型，SLA要求材料為具有光交聯性質的光敏聚合物材料，FDM通常使用一定直徑的熱塑性聚合物線材，而EB方法可應用的材料種類最為廣泛，通常為多種材料組成的具有一定粘度的漿料。

圖2. 常用的3D骨修復支架打印方法

  應用于3D打印骨修復材料包括金屬、聚合物、陶瓷以及它們的復合物。可應用的金屬材料包括鈦合金、CoCr合金，以及一些可降解金屬材料，如鐵合金，鎂合金等，打印方法主要為3DP、SLS和SLM，打印的金屬基支架通常用于承重骨植入。3D打印金屬基骨修復支架（圖3）的優點在于其高力學強度和高耐磨性，能夠與皮質骨的強度相匹配，但也存在生物活性低、與組織界面不相容、降解速率不可控等問題；因此常需要對金屬表面進行處理，提高植入物與組織的相容性。

圖3. 3D打印的金屬基骨修復支架（Copyright@Elsevier）

  應用于骨支架3D打印的聚合物材料種類廣泛，合成高分子包括聚乳酸（PLA）、聚醚醚酮（PEEK）和聚己內酯（PCL）等熱塑性材料，而天然高分子材料包括明膠、膠原、海藻酸鈉，纖維素和結冷膠等。圖4為基于FDM，SLS和SLA方法3D打印的聚合物骨修復支架。聚合物材料具有較好的可加工性，能夠打印成復雜的3D幾何結構，但是多數聚合物材料生物活性有限，故通常以復合生物材料的方式使用，例如使用生物活性玻璃或者磷酸鈣陶瓷材料作為添加成分提高聚合物支架的骨修復能力（圖5）。

圖4. 3D打印的聚合物骨基修復支架（Copyright@Elsevier, MDPI, and WILEY-VCH）

圖5. 3D打印的復合生物活性玻璃和磷酸鈣陶瓷的聚合物支架（Copyright@Elsevier and RSC）

  無機材料是骨修復領域最常用生物材料，主要有磷酸鈣陶瓷和生物活性玻璃，前者包括α-TCP，β-TCP，TTCP，DCPD，HAp以及它們的復合物。磷酸鈣基材料由于與骨組織具有相似的成分，能夠很好的促進骨缺損再生，因此在骨修復方面具有較好的應用潛力。基于不同的3D打印方法，可制備多孔磷酸鈣基骨修復支架（圖6），目前磷酸鈣基材料的3D打印存在打印精度低，打印后骨修復支架脆性大等問題。通過將無機材料與水凝膠材料進行復合有望提高骨修復支架的韌性。

圖6. 3D打印的陶瓷基骨修復支架（Copyright@Elsevier, RSC, and WILEY-VCH）

  作者還對3D打印不同材料的骨修復支架優缺點進行了對比，事實上單一材料難以滿足骨修復支架的性能要求，特別是難以滿足現在臨床的需求，故在實際應用中需要結合打印方法、材料種類和應用要求進行合理的調配，開發新型的綜合性能優異的可打印復合生物材料是研究的重點之一。3D打印的骨植入物產品在臨床的應用多數集中在金屬基支架，目前主要應用于頜面骨、椎骨、四肢長骨、肩關節、髖關節等需要長期植入的部位。

圖7. 臨床上3D打印骨植入物的應用（Copyright@Elsevier, WILEY-VCH, Yonsei University, and Taylor&Francis）

  最后作者對未來3D打印骨修復支架提出了展望，首先應著力解決臨床上面臨的材料學挑戰，如金屬基支架的長期植入應力屏蔽效應，聚合物基支架的有限生物活性和陶瓷基支架的脆性問題；提高現有3D打印骨修復支架負載生物活性物質的能力將會是研究的重點，例如如何有效的在打印前后負載細胞、生長因子、基因及藥物，以提高3D打印支架的血管化和骨修復能力；加速推進3D打印技術和打印材料的標準化進程，為3D打印產品的批量化生產提供可能。

  該論文第一作者是中山大學生物醫學工程學院博士生陳友，通訊作者為劉杰副教授和吳釗英副研究員。該論文得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省科技計劃、廣東省自然科學基金、廣東省傳感技術與生物醫療儀器重點實驗室的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202000724