3D打印复合材料人工骨技术研究

杨少龙 汪小迪 从云飞

摘 要：由于外伤、肿瘤、手术等原因造成的骨缺损需要修复重建，移植骨的来源受到各种条件的限制。羟基磷灰石、多聚乳酸、聚醚醚酮都是代替天然骨的良好材料，多重材料复合，可以发挥材料各自的优势。3D打印技术可以利用多种骨替代材料复合物，制造出接近天然骨的复杂、精细的空间结构，是骨缺损的理想修复材料。

关键词：人工骨；3D打印；羟基磷灰石；多聚乳酸；聚醚醚酮

中图分类号：R602 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）19-0188-02

1 人工骨简介

由于外伤、肿瘤、手术等原因造成的骨缺損需要修复重建，自体骨移植面临着骨源限制、免疫排斥等问题，探索人工骨的制备，非常的必要。现在临床使用的人工骨在可降解性、生物活性、组织相容性方面，都有一定的缺陷。[1]

人体的骨骼由骨密质和骨松质构成：骨密质质地坚硬，有约10%的孔隙率；骨松质位于骨的内部，成海绵状，骨小梁交织成网状，孔隙率约50～90%。[2]人的骨骼的主要成分为羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA），天然骨中HA片状晶体与矿化的胶原纤维规则排列，是由骨细胞精细控制成长的HA晶体与有机物的合成，形成的生物陶瓷高/分子复合材料是人工骨在纳米尺度难以模仿的。[3]

3D打印技术在医学领域已经得到了广泛的应用，尤其是在制造人工骨这样具有较高孔隙率的复杂三维构型，具有独特的优势。3D打印技术可以根据计算机设计，精确制造三维立体结构，越接近自然骨的空间结构，越有利于骨细胞的迁移，营养物质的流通与骨的修复。

2 研究方法

2.1 实验材料

HA的成分、结构与天然骨一致，生物相容性好，无毒副作用，可以为骨细胞提供理想的生活环境。HA颗粒越细，生物活性越强，植入体内后钙和磷会降解吸收，被广泛用作骨填充材料。[4]

多聚乳酸（polylactic acid，PLA），具有很高的生物安全性，在体内可以被分解吸收，而且具有优良的力学性能，可用来制作替代不锈钢的骨科内固定钢钉、钢板，药物缓解包装剂、人造皮肤、免拆型手术缝合线等，是经过美国FDA、中国CFDA认证的可植入高分子材料，是良好的骨缺损填充材料，为骨细胞和血管的生长提供支架。

聚醚醚酮（Polyetheretherketone，PEEK），质量轻、无毒、耐腐蚀，可经受134℃下超过3000次高压灭菌，是目前最接近人体骨骼的材料。[5]

单一的材料往往都有各自的缺陷，比如PLA在体内可以降解生成乳酸，是糖的代谢产物，完全代谢后生成二氧化碳和水，但是降解后周围的PH值会降低，不利于细胞的生存。PLA亲水性差，细胞吸附力较弱，可以起引起无菌性炎症。[6]HA与PLA相混合，可以代偿PLA分解引起的PH值降低，可以避免无菌性炎症的产生，HA也可以延缓人工骨的降解时间。[7]

虽然目前还没有一种材料可以完全满足人工骨的要求，但是可以通过几种材料不同组分、比例的复合，从而克服各自的缺点，使材料的性能达到最优。

3D打印人工骨的材料：皮质骨材料为分子量300000的PLA或PEEK；骨松质按PLA：HA=4：5的比例混合，PLA的分子量为90000，HA的颗粒直径为80nm。将分子量为300000的PLA，或PEEK加热至熔融态，将PLA和HA的混合物加热至固液混合态，应用“分层叠加”的3D打印原理，经相应的3D打印喷头，分别将不同的材料喷涂到皮质骨和松质骨位置，个性化制备出与患者骨缺损相匹配的数字化人工骨。[8]

2.2 试验方法

将患者的CT/MRI等.dicom格式的影像数据导入到Mimics软件，构建病人骨骼的三维数字模型，设计孔隙结构（图1），导出数据，转换成STL格式的文件，经MedCAD软件设计出0.2mm的片层，导入3D打印机。设置好打印参数，层厚0.2mm，填充密度20%，轮廓丝宽0.3mm，支撑与实体间隙0.65mm，喷头温度330℃，工作台温度：80℃，45°角常规实体内部填充，收缩因子1.0032。

选用熔融沉积造型术（Fused depositionmodeling，FDM），打印完毕后，清除掉多余的支撑材料。3D打印出的人工骨，皮质骨的孔隙率为10%；松质骨的孔隙率为70，孔隙大小为140μm，具有与人类骨结构相似的孔隙率、孔径大小和力学性能。图2所示为我们设计的直径为30mm，高度为30mm的圆柱体，孔径直径设置为500μm，3D打印的PLA人工骨型材。[9]

打印出的人工骨，可以和间充质干细胞或肿瘤细胞进行共培养，扫描电镜观察细胞在人工骨上的粘附生长情况。还可以用CCK-8法检测人工骨的浸提液和纯DMEM培养液的对间充质干细胞或肿瘤细胞的细胞毒性的不同，这样来验证人工骨的生物安全性。

3 结语

3D打印的人工骨具备个性化的外形设计，可以与患者骨缺损的部分进行完美的匹配。[10]不同的材料组分和比例的优化，可以将降解速度、生物相容性、结构硬度等各种材料的属性达到最佳的组合。计算机空间结构和3D打印技术的应用，使人工骨具有较好的孔隙率、孔隙直径、分层结构，从而更接近天然骨的结构，使营养物质更好的交换，骨细胞更好的生长。

参考文献

[1]张海峰，杜子婧，姜闻博，等.3D打印PLA-HA复合材料与骨髓基质细胞的相容性研究[J].组织工程与重建外科杂志，2015，（6）：349-353.

[2]王俊杰.多孔仿生骨单元植入物三维打印成型系统开发及实验研究[D].南京师范大学，2017.

[3]杨中.基于羟基磷灰石的3D打印和烧结强化人工骨技术研究[D].重庆大学，2015.

[4]张志宏，刘志礼，高志增，等.骨修复替代材料修复骨缺损的选择与应用[J].中国组织工程研究，2012，（52）：9836-9843.

[5]付华.聚醚醚酮/羟基磷灰石复合粉末的制备及性能研究[D].武汉工程大学，2015.

[6]王江，师钟丽，黄鑫，等.不同形貌羟基磷灰石纳米颗粒的可控合成及其对骨肉瘤细胞生长的影响[J].浙江大学学报（理学版），2011，（3）：333-336，366.

[7]王振林，万涛，闫玉华.羟基磷灰石/胶原/聚乳酸三维多孔储存式药物控释载体的制备及其表征[J].中国临床康复，2006，（41）：198-201.

[8]臧晓龙，孙健，李亚莉，等.3D生物打印构建聚乳酸羟基乙酸/纳米羟基磷灰石支架骨形态发生蛋白2缓释复合体的实验研究[J].中国组织工程研究，2016，（16）：2405-2411.

[9]周琦琪，韩祥祯，宋艳艳，等.3D打印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的性能比较[J].中国组织工程研究，2016，（52）：7851-7857.

[10]高雪玲.形貌可控纳米羟基磷灰石/海藻酸钠复合材料的3D打印研究[D].西南交通大学，2017.