增材制造技術與骨缺損替代物材料的探討（原創2022-03-03CMDE中國器審）

臨床統計顯示，有5-10%的骨折會導致無法自愈的嚴重骨缺損[1]。修復此類缺損的金標準是自體骨移植物，然而這種解決方法并不理想，取自體骨需要二次或多次手術，骨量有限，供區也有感染、疼痛等風險。而通過增材制造技術制成的3D打印支架，其多孔結構設計可允許血液流通和骨組織長入，其工藝參數的調整可一定程度上復制骨的各向異性，通過斷層掃描技術或磁共振成像技術獲取的骨缺損精確3D圖像，也可制造出貼合患者骨缺損形狀的骨植入物。在過去的幾年里，增材制造技術已成為生物醫學研究領域，尤其是骨組織再生領域的一項新興技術。在增材制造技術出現之前，傳統技術（如溶膠-凝膠法、氣體發泡法或冷凍干燥法等）也可實現骨支架材料的多孔設計，但這些技術無法保證3D支架結構的可重復性。而穩定可控且連通性高的多孔結構，正是實現細胞遷移、粘附和增殖的重要因素。通過這項技術，可將比對患者骨缺損形狀-調整植入物形狀的步驟挪至術前，從而大大減少醫生在術中調整植入物的手術時間，進而降低了手術風險。因此，增材制造技術適合應用于個性化醫療之中，尤其是創傷或腫瘤切除引起的形狀非常復雜的骨缺損情形。

在通過增材制造技術進行患者個性化骨缺損替代物設計之前，首先要選擇合適的材料作為“基石”。一般來說，在骨組織工程中選擇材料需要考慮六個重要標準：1）仿生，即盡可能模擬天然骨特性，同時應具有良好的生物相容性；2）機械性能，即彈性模量和壓縮剛度應足以支持骨骼生長，但也不會過高導致出現應力屏蔽的情況；3）長期生物降解性，在理想情況下，支架應逐漸被新生骨取代；4）易于成像，一般通過骨與支架材料之間的對比度實現，這有利于術后跟蹤定位和觀察骨長入效果；5）如需要，應能較為容易地切割組織切片；6）無菌，且滅菌過程不影響支架材料的功能。其中第五個標準主要應用于臨床前研究中，通過組織切片觀察，可評估新生成的骨組織質量、成熟度、類型、排異反應、新血管的形成以及周邊組織和支架的相互作用（即是否與支架表面接觸，是否滲入孔隙等）。第六個標準雖然經常被忽視，但其實對于多孔設計來說，滅菌過程至關重要。

從材料類型來說，目前可用作骨缺損替代物的材料大致分為四種：聚合物、陶瓷、聚合物與陶瓷復合材料、金屬。表1給出了以上四種材料在前述六個重要標準下各自的特點。

表1：根據六個標準分析材料的性能：仿生性、機械性能、生物降解性、顯影性、進行組織切片以進行臨床前研究和適用的滅菌方式。從--（非常差）到+++（優異的性能）排列。一、聚合物

（一）天然聚合物

聚合物可分為天然聚合物和合成聚合物。天然聚合物，如殼聚糖、膠原蛋白、透明質酸、明膠或絲素蛋白等，均具有優異的生物相容性和生物降解性。它們的降解周期通常在2-24周內，且不會產生任何酸性副產物。但由于它們的機械性能較弱，無法承受施加在骨骼上的力，因此這些材料主要作為添加劑或復合材料的一部分使用，發揮其骨誘導特性以及增強細胞核蛋白質粘附的能力。這種材料通常使用相對低溫且溫和的環氧乙烷滅菌，而不建議選擇電子束輻照或高壓滅菌。電子束輻照會加速聚合物的降解速率，增加材料的化學交聯，高壓滅菌則會降低材料的粘度和機械強度。

（二）合成可降解聚合物

合成可降解聚合物通常包括PCL、PLGA、PLA、PPF等，它們的降解速率可調節，通常超過一年或兩年，同時也兼具良好的生物相容性和骨傳導性。與天然骨的抗壓強度（2-12MPa）和壓縮模量（52-318MPa）相比，它們具有良好的機械性能，抗壓強度約為2-39MPa（取決于孔隙率），同時其可透射線、較輕的重量和組織相容性都有利于臨床前研究，但材料本身沒有誘導骨形成的功能。對于該種材料，應避免高壓滅菌、環氧乙烷滅菌和等離子滅菌，建議采用紫外線照射、γ射線或β射線輻照滅菌。

（三）合成不可降解聚合物

不可降解聚合物，如PEEK、PEKK等，根據孔隙率的不同，壓縮模量范圍約為0.14-8.21GPa，抗壓強度約為25-200MPa。與其他聚合物類似，它們也可透射線，同時具有生物相容性。然而，這類材料與細胞或生長因子的相互作用差且骨整合率低（即支架與宿主骨的整合差），因此也有表面噴涂鈦或羥基磷灰石涂層以達成表面改性、改善骨整合的目的。一般來說，不可降解聚合物可應用的主要滅菌技術是γ射線輻照滅菌，因為高壓滅菌可能會引起材料物理化學性質的變化。需注意這類材料不可降解，通過手術去除材料對于患者是一個額外的侵入性風險。

二、陶瓷

陶瓷是一種被廣泛研究的骨缺損替代材料，與天然骨無機相成分相似，具備出色的仿生性——同時具有骨傳導性和骨誘導性。在骨組織工程中，應用最廣泛的陶瓷是磷酸鈣，即羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（TCP），它們的均可被生物降解，但降解速率有所不同。陶瓷的抗壓強度范圍為3-18MPa，相對較弱，不太適合承重。由于成分和密度與原生骨相似，陶瓷在影像上不易與原生骨區分，這也使得組織學分析變得復雜。通常來說，陶瓷可用于修復各種缺陷，也可作為支架填料或涂層以增強支架的生物活性。γ射線滅菌一般是陶瓷的最佳滅菌工藝。

三、聚合物與陶瓷復合材料

為了優化骨缺損替代物的機械和生物學特性，聚合物與陶瓷復合材料應運而生，其中最廣泛使用的復合材料為PCL/β-磷酸三鈣（β-TCP）。PCL的降解速率非常慢，因此，添加β-TCP可實現更高的降解速率、更好的壓縮性能及更強的骨誘導性。

四、金屬

骨組織工程中應用最廣泛的金屬是鈦及鈦合金以及不銹鋼，均為不可降解金屬。這類材料具有良好的生物相容性，其機械性能與天然骨骼接近或偏高（壓縮模量約為5-35GPa，抗壓強度約為50-325MPa）。需要注意的是，在臨床使用過程中，較高的彈性模量可能會產生應力屏蔽；磨損或腐蝕過程中釋放的金屬離子也可能導致組織吸收或壞死；其較高的硬度也不利于臨床前組織切片研究。

骨缺損，尤其是臨界尺寸骨缺損的治療仍具有挑戰性。為滿足臨床需求，骨替代植入物應具備以下特征：1）生物相容性良好，最好是生物可降解材料；2）具備可讓細胞和體液滲透的多孔結構，但同時擁有足以抵抗生理負荷的機械強度；3）匹配骨缺損部位的形狀；4）易于加工；5）醫生容易操作。增材制造技術提供了提供定制骨缺損替代支架的可能性，該支架具有完美適應給定缺陷的外部形狀和利于骨修復的內部結構。將增材制造技術與適合的材料相結合，可有效控制骨缺損替代物等機械和生物學特性。

參考文獻：

[1]GarotC,BettegaG,PicartC