本文登于《3D打印商情》報第五期

    在人體組織與器官中，關(guān)節(jié)是運(yùn)動與承載功能實現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。關(guān)節(jié)是典型的軟骨/骨結(jié)合結(jié)構(gòu)，軟骨與骨的良好結(jié)合保證著關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和人體的運(yùn)動能力。但是創(chuàng)傷或關(guān)節(jié)炎等疾病破壞了軟骨與骨的結(jié)合，形成骨軟骨缺損。

    盡管關(guān)節(jié)鏡灌洗術(shù)、關(guān)節(jié)磨削成形術(shù)、鉆孔及微骨折等方法能夠短暫地直接修復(fù)小面積軟骨病變，但無法修復(fù)關(guān)節(jié)原有正常的組織結(jié)構(gòu)。隨著病情逐漸惡化，病變部位的軟骨面積越來越大，并向軟骨下骨擴(kuò)張，形成深層、大面積軟骨病變和缺損，導(dǎo)致越來越嚴(yán)重的關(guān)節(jié)運(yùn)動困難、疼痛。

    由于關(guān)節(jié)上存在的軟骨和骨是兩種截然不同的組織，即骨是無機(jī)質(zhì)含量高、強(qiáng)度高，呈現(xiàn)為明顯的硬材料特征，再生能力強(qiáng)；而軟骨呈現(xiàn)是含水量大的軟材料特性，再生能力極差。因此，從仿生學(xué)和組織工程學(xué)的角度，制造在功能和結(jié)構(gòu)上區(qū)分成骨區(qū)和軟骨區(qū)的軟骨/骨關(guān)節(jié)體，即用再生能力高的成骨區(qū)來固定植入物于缺損區(qū)，用含水量高的軟骨區(qū)提供和維持軟骨組織生長，阻止骨組織和血管長入，就有希望用于大面積軟骨缺損部位的填補(bǔ)和修復(fù)。然而，成骨區(qū)和軟骨區(qū)材料特性的極大差異導(dǎo)致了兩區(qū)嚴(yán)重的分離脫層現(xiàn)象。

    以光固化原型(Stereolithography, SL) 、熔融沉積(Fused Deposition Molding, FDM) 、三維噴墨打印(Three-dimensional Printing, 3DP)等為代表的累加成型微/宏復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing, AM，又稱3D打印)，可將生物材料和活性物質(zhì)等逐點、逐層地打印與疊加成形為與人體組織極為接近的形狀，為復(fù)雜的定制化軟、硬組織的制備提供了新的制造手段，也因此成為醫(yī)療領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

    以液態(tài)光敏材料為成型原料，經(jīng)過逐層光掃描固化后成型零件的光固化原型技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)精度高、成型材料廣泛等優(yōu)點。西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室自1993年開展光固化原型技術(shù)的研究，1997年研制出國內(nèi)第一臺激光光固化快速成型機(jī)，形成了包括樹脂、金屬、陶瓷、水凝膠等光固化原型技術(shù)。為了解決軟骨/骨關(guān)節(jié)體的成骨區(qū)和軟骨區(qū)分離脫層問題，實驗室提出模仿關(guān)節(jié)上軟骨與骨結(jié)合界面的組織結(jié)構(gòu)，設(shè)計軟、硬材料穩(wěn)定聯(lián)接的界面結(jié)構(gòu)，開展以陶瓷（硬材料）和水凝膠（軟材料）為主的軟骨/骨關(guān)節(jié)體多材料3D打印技術(shù)研究。

    利用連續(xù)組織學(xué)染色切片和實驗室開發(fā)的關(guān)節(jié)骨軟骨界面無創(chuàng)剝離技術(shù)獲得的軟骨與骨界面分離的電鏡數(shù)據(jù)（圖1），結(jié)合計算機(jī)醫(yī)學(xué)掃描圖像數(shù)據(jù)（MicroCT）和反求工程技術(shù)，構(gòu)建起關(guān)節(jié)軟骨與骨界面顯微三維結(jié)構(gòu)模型，定量化給出關(guān)節(jié)軟骨、骨及其界面多層次典型結(jié)構(gòu)特征、統(tǒng)計學(xué)規(guī)律與參數(shù)化模型。研究發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)上軟骨與骨的聯(lián)接是通過包括軟骨、軟骨下骨板以及關(guān)節(jié)面附近的松質(zhì)骨等多個層次復(fù)合結(jié)構(gòu)。特別是軟骨層和軟骨下骨板層的上表面分布著很多圓孔結(jié)構(gòu)，孔徑平均值分別為17.04μm，34.08μm，且其孔隙主要以三邊形、四邊形等方式排布。通過多孔板狀結(jié)構(gòu)軟骨下骨（圖2），軟骨以鉚合、嵌鎖、管道連接、分子連接等方式連接于骨面。因此，我們提出軟骨層和軟骨下骨板層上的孔結(jié)構(gòu)可能是營養(yǎng)供給的通道的假設(shè)。而目前臨床上對關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)治療一直都未取得突破性的進(jìn)展，尤其對關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)后的退變?nèi)狈τ行У氖侄?，這可能是由于對軟骨下骨在軟骨修復(fù)中的重要作用未予以足夠重視，忽視了在非正常力學(xué)狀態(tài)下修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨表型難以保持長期的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響了關(guān)節(jié)軟骨的長期修復(fù)效果。

  (a)  

 (b)     

   圖1關(guān)節(jié)上軟骨/骨聯(lián)合縱切的組織學(xué)染色切片(a)及軟骨下骨掃描電鏡圖(b)

 圖 2  骨軟骨界面區(qū)域三維重建實體圖

    實驗室以生物陶瓷和水凝膠光固化3D打印成型技術(shù)（圖3）為基礎(chǔ)，模仿關(guān)節(jié)軟骨與骨的層次結(jié)構(gòu)，以結(jié)構(gòu)嵌入的方法將軟、硬不同的兩種材料復(fù)合成型制造骨軟骨支架。即首先以光固化3D打印成型具有多層次圓形孔隙的陶瓷骨體支架，然后以骨體支架為基底，在陶瓷支架表面以凍干成型或光固化3D打印成型水凝膠軟骨層后獲得軟骨/骨關(guān)節(jié)體（圖4）。

(a )                                         (b)

圖3 光固化3D打印陶瓷骨(a)和水凝膠軟骨(b)

                 (a)                             (b)                                (c)

圖4 光固化3D打印陶瓷骨(a)和軟骨/骨關(guān)節(jié)體(b, c)

    另一方面，為了解決大塊骨軟骨缺損修復(fù)中軟骨/骨關(guān)節(jié)體的穩(wěn)定固定，避免因陶瓷骨體脆性大或多孔陶瓷強(qiáng)度不足而碎裂，采用高聚物PLA增強(qiáng)多孔陶瓷骨體來提高強(qiáng)度。這種軟骨/骨關(guān)節(jié)體（圖5）的制造方法包括兩部分：首先光固化成型更為復(fù)雜的雙系統(tǒng)管道多孔陶瓷骨體，然后浸入熔融的PLA使得PLA均勻灌注于多孔陶瓷的部分孔道，待冷卻后得到多孔陶瓷/PLA復(fù)合材料骨體。再以骨支架為基體，利用光固化直接成形制造水凝膠軟骨體。

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    圖5  PEG/PLA/β-TCP復(fù)合材料軟骨/骨關(guān)節(jié)體  

    以聚乙二醇水凝膠和磷酸鈣陶瓷構(gòu)建的軟骨/骨關(guān)節(jié)體修復(fù)兔膝關(guān)節(jié)大尺寸骨軟骨缺損修復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)（圖6），修復(fù)16周（E16）、24周（E24）和52周（E52），隨著時間的推進(jìn)新生的軟骨組織得到明顯改善。而作為對照的假手術(shù)組（S24）和空白對照組（C24）至24周時未見明顯成軟骨細(xì)胞出現(xiàn)。實驗證明軟骨下骨骨微參數(shù)與軟骨修復(fù)存在明確的相關(guān)關(guān)系，完整的軟骨下骨重建對軟骨修復(fù)具有重要意義。

圖6 新生軟骨組織外觀(A)及沙番O/快綠組織染色(B)，其中

    以膠原水凝膠和磷酸鈣陶瓷構(gòu)建的軟骨/骨關(guān)節(jié)體的軟硬材料的界面結(jié)合力達(dá)到11.8±1.6N，能夠有效解決傳統(tǒng)軟骨支架抗剪切性能差，容易脫層的問題。6個月的犬動物實驗（圖7）已證明，對比膠原或陶瓷材料，這種由軟、硬材料復(fù)合制造的關(guān)節(jié)體可有效的修復(fù)犬關(guān)節(jié)大面積骨軟骨缺損。新生組織從大體標(biāo)本、影像學(xué)以及組織學(xué)評價等方面均與關(guān)節(jié)軟骨高度相似。并在軟、硬材料界面處新生出類似于自然骨-軟骨結(jié)構(gòu)的軟骨和軟骨下骨結(jié)構(gòu);新生軟骨與周圍組織結(jié)構(gòu)的結(jié)合力達(dá)到 55N，接近于自然軟骨的 65.3N。

         (a)                                    (b)                            (c)

圖7 動物實驗：3D打印軟骨/骨關(guān)節(jié)體(a)、3D打印陶瓷體(b)和膠原體(c)對軟骨缺損修復(fù)的療效

    總之，3D打印軟骨/骨關(guān)節(jié)體具有微結(jié)構(gòu)和材料的雙重仿生，有助于生成接近于自然狀態(tài)的骨軟骨修復(fù)組織，可以為新生軟骨組織提供類似于自然的應(yīng)力刺激與營養(yǎng)供應(yīng)，促進(jìn)新生軟骨的功能化。

    隨著越來越多的生物光敏材料的開發(fā)，特別是光敏高強(qiáng)度水凝膠的出現(xiàn)，借助于3D打印復(fù)雜內(nèi)外結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，不僅將為更多的功能化人造組織提供多材料、多變結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)，還將滿足對關(guān)節(jié)運(yùn)動的大沖擊和摩擦學(xué)要求，為細(xì)胞提供更為理想的三維空間生存環(huán)境的活性人造器官。

    作者簡介：

    連芩，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。2006年西安交通大學(xué)獲得博士學(xué)位；2008年獲得首屆中國博士后科學(xué)基金特別資助；2010年獲得國家留學(xué)基金委資助于英國利茲大學(xué)訪學(xué)進(jìn)修，并獲得英中國際合作項目資助進(jìn)行人造組織仿生制造技術(shù)研究；2011年獲得教育部科技發(fā)明一等獎1項。主要研究增材制造工藝與裝備，開展增材制造和生物制造交叉研究工作。面向人類對健康生活的需求，以醫(yī)用金屬、陶瓷和水凝膠等為主要材料，通過基礎(chǔ)工藝創(chuàng)新，開發(fā)新型醫(yī)用材料增材制造技術(shù)與裝備。