3D打印技术在组织工程中的应用探讨

近年来，研究者对组织工程支架的设计提出了4F准则：形状诉求（Form）、性能诉求（Function）、功能诉求（Formation）和可植入性（Fixation）。以此为原则，研究者希望利用仿生学等原理，体外构建适合细胞生长的显微结构，尽可能地模拟体内环境，从而协调不同细胞的增殖、分化、迁移和凋亡等。利用3D打印技术制备的个性化支架，能够精确模拟天然组织复杂的三维微观结构，支架形状与缺损组织高度吻合，并通过支持生长因子、细胞的共同打印赋予支架生物活性，因此在组织工程领域得到了广泛应用。

在骨组织工程领域，因为骨组织的结构与功能相对较简单，所以骨组织工程获得了广泛关注。骨组织工程为大段骨折提供了一种有效的治疗方法。研究认为，具有较大孔径的材料能获得较高的细胞密度，而具有高渗透性、多孔通道和力学强度的支架能够明显促成骨细胞的信号表达。Xu利用3D打印技术制备了各种均匀分布的微孔支架，并通过机械实验初步分析了三种具有微孔（方形，三角形和平行四边形）的支架的力学性能，发现方形微孔支架具有更好的抗压强度和弹性。β-磷酸三钙固态时的钙磷比与正常骨组织的钙磷比很接近，具有良好的生物相容性。与骨组织结合好，无排斥反应，而且在植入人体后发生降解，为新骨的形成提供丰富的Ca和P，非常适合制备骨组织工程支架。

(www.xing528.com)

图3-9　β-磷酸三钙组织工程支架的显微结构

3D打印技术在软骨修复中也具有极大的应用前景，因为软骨组织无血液供应和神经支配，并且软骨细胞的低代谢以及高密度的细胞外基质限制了软骨细胞向缺损区域移行，在受损后无法自行修复。目前，常用于组织工程软骨构建的凝胶包括胶原、纤维蛋白胶、透明质酸钠和藻酸钙等。类似于天然软骨基质，水凝胶具有很高的水分含量，接种后细胞呈圆形局限于陷窝内，可以为干细胞向软骨细胞分化提供更有利的微环境。经过改性的Ⅰ型胶原凝胶被证明是软骨细胞和BMSCs体内移植的良好载体。在1994年，上海第二医科大学曹谊林团队成功地在裸鼠背培育出人耳郭样软骨，在国际上引起了强烈反响。

血管组织具有独特的三层结构，即内壁面是一层内皮细胞，中层主要是由弹性纤维组织、胶原和平滑肌组成，最外层包围着疏松的结缔组织，这种结构决定了天然血管具有良好的抗凝血和弹性。理想的血管支架要求能够具有或模拟天然血管的三层结构，不易产生血栓，具有血管的黏弹性及能够承受一定压力的力学特性等特点。2002年，Lenvenberg 等通过实验将人胚胎干细胞诱导转化为内皮细胞，促使组织工程化血管内皮化研究取得重大进展。Pittenger等证实了骨髓间充质干细胞不仅可以分化成血管平滑肌细胞，还参与平滑肌细胞重建。