三维打印生物材料的发展现状

李 岩，沙赟颖，孙婷婷，刘楚阳

（泰州职业技术学院 泰州市骨组织工程技术中心，江苏 泰州 225300）

动态变形材料，通常是通过多材料3D打印技术制造的，但是其定义已经快速地变得模糊和宽泛。本文中，我们把3D打印定义为:在组织工程和再生医学中，具有潜在应用的生物打印。本文并进行批判性回顾，强调和讨论新可编程物以及3D打印方法。

1 渗透压驱动的基于水凝胶的生物墨水

实现3D打印生物材料的一种简单机制是利用水凝胶固有的溶胀性质。展示这一基本原理的开创性例子，就是由不同分子量的可光致交联聚乙二醇（PEG）组成的双层结构的制备。当它被放在水性环境中时，由于粘合的水凝胶层的不均匀溶胀，预先设计好的折叠结构，会以可预测和可控的曲率，形成微图案的球体、螺旋体或圆柱体。后来发现，浸泡在水中的打印平面结构，可以由刺激引发形变。

2 智能材料的热驱动

除了基于水凝胶的可编程软物质外，利用热塑性塑料的形状记忆特性，也可以将第四维度赋予3D打印结构。形状记忆热塑性塑料是温度介导行为的典型聚合物，基于材料的内在转变温度。利用形状记忆聚合物的常规性质，展示了复杂的折纸式折叠过程。这里打印了一个永久性折叠的立方体结构，这个结构由两种商业化的聚合物组成三层叠层。打印完成后，在高于玻璃化转变温度的温度下展开结构，然后冷却。当温度升高到转变温度以上时，结构恢复到永久折叠的形状。这个方法已经被进一步发展，现已能够完成更多复杂结构的4D打印，如互锁扣和UPS邮箱的复制品。这些更复杂的结构，要求折叶按顺序折叠，而不是同时折叠，以避免在折叠期间发生空间碰撞。使用具有一定范围的转变温度的折叶，可以控制它们在加热期间折叠的顺序--有最低转变温度的折叶最先折叠，最高转变温度的折叶最后折叠。

研究者扩展了这一概念，将具有不同玻璃化转变温度的两种形状记忆聚合物和具有多个转变形状的打印结构结合起来。他们打印出层状结构。在两层中分别沉积不同的形状记忆聚合物的纤维，其玻璃化转变温度分别为38℃和57℃。为了对形状记忆效应进行编程，首先将印刷结构加热至～70℃并拉伸至10%应变，保持该应力，待结构冷却至约0℃后释放。不同的玻璃化转变温度允许结构根据施加的温度形成多种形状。用简单的线性条带展示了该概念，该条带结构在0℃几乎是平坦的，并且稍微向具有较低转变温度的纤维的一面弯曲。在15°C时，条带呈现明显的弯曲，而在30°C时，弯曲角度进一步增大。在60℃以上时，由于高于两种纤维的转变温度，结构回到平坦状态。一个更复杂的例子是昆虫样结构，其首先通过双轴拉伸进行编程，然后放在加热到30℃的水中。37s后，昆虫结构呈现立体状态，再进一步加热至60°C，结构恢复到永久平坦的形状。

虽然，我们将关于热驱动的讨论集中于低玻璃化转变温度的热塑性塑料上，但不应误以为热驱动仅限于这些类型的材料。有许多水凝胶材料表现出温度敏感性能，它们可以在预设计中被利用并用于生产智能或多功能3D物体。研究者已经证明了能够通过使用热敏性藻酸盐聚（N-异丙基丙烯酰胺） 水凝胶做成的3D打印水凝胶阀，来控制水流动。双网络型水凝胶，由紧密交联的藻酸盐基质和松散交联的网络组成。10℃下，在打印过程中，网络逐渐进行光交联，然后将完成了的打印结构浸入氯化钙中，以交联藻酸盐基质。在20℃时，藻酸盐水凝胶是高度溶胀（溶胀比～9） 状态，在阀组件处于打开位置；在60°C时，水凝胶含水量明显降低（溶胀比～1），阀组件的驱动臂收缩，关闭流路。

在类似的研究中，通过打印含有两种不同水凝胶制剂的复合材料来证明水凝胶结构的折叠。第一种材料是聚醚类聚氨酯和甲基丙烯酸2-羟乙酯的混合物。第二种制剂是聚醚基聚氨酯和N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM） 的混合物。在这两种情况下，PEO-PU的质量比都为1∶1。PEOPU组分提供打印墨水所需的黏度。为了防止NIPAM在聚合期间分离，加入乙醇作为两种制剂的溶剂。使用3D打印，将两种水凝胶沉积在空间限定的区域中，以制造“折叶”。两种水凝胶制剂之间的不均匀溶胀导致折叶在室温下膨胀弯曲，并当加热至60℃时恢复成扁平形状。

之前的实例，包括藻酸盐 -聚（NIPAAm）驱动阀和由 PEO-PU、聚 （HEMA） 和聚（NIPAAm）的混合物组成的折叶结构，都显示了3D打印技术在制造可形状转换智能材料中的重要性。其实，虽然这些材料已被广泛应用于许多不同的应用中，但是组成材料本身并不“智能”，其本身也并不具备这些例子中的功能。然而，通过使用3D打印，将这些材料组合到空间定义的结构中，便可以生产出具有驱动或折叠功能的智能水凝胶结构。虽然这些研究表明，3D打印水凝胶结构中的一些可能的功能，但是它们还不能立即适用于典型的医疗应用中，这是因为临床应用使用的材料，需要是医用级聚合物的商品化聚合物。例如，驱动阀和折叶结构，在加热至60℃，即远高于生理温度时，才进行形状转换，并且为防止在聚合期间聚（NIPAAm） 的分离，需在10℃下打印阀，而且要用乙醇作为折叶的溶剂。所以，如何克服这些医疗应用中的挑战，是这些温度敏感结构的下一个研究前沿，并且应该将重点放在针对于临床应用的后续研究上。

正如我们讨论所示，材料科学和3D打印最近已经产生了大量可以对局部内源性和外源性刺激（如温度变化，离子强度或其他环境因素）作出响应并可逆地和/或不可逆地改变材料的状态或形状的设计。虽然“智能”一词通常被科学界用来描述这种材料，但应该牢记的是这些响应并不一定证明这些系统是“智能”的。虽然本文中提到的最新进展令人兴奋，并且它们可能用于生物医学，但是研究者通常不对这些新提出的概念进行深入的利用和表征的后续研究。尽管他们声称这些概念将对药物递送或再生医学等应用有着深远影响，但研究工作往往停留在初步的证明阶段。部分原因可能是由于目前激烈的学术科学竞争环境造成的。为了获得赠款资金，科学家越来越需要在高影响力的期刊上发表论著。然而，对以前公布的概念的后续研究被认为没有足够的创新性，所以其难以被高影响力期刊接收。这又迫使科学家集中于新的思想创新，而不是将其最初思想逻辑发展到最终的生物医学应用。

然而，为了转化研究成果，真正应用它们来提高当前的临床水平，则需要对这些基础的概念进行详细和复杂的体外和体内研究，来评估其应用、功效和安全性。目前由全球众多研究团体共同开发的材料，一个很好的例子是明胶甲基丙烯酰（GelMA），它是明胶的化学衍生物，可以通过自由基聚合交联。2000年，由Van Den Bulcke等人最初合成并进行流变学表征，该材料后来被鉴定为具有细胞相容性和细胞指导性，此后三维细胞培养模型和支架快速发展。迄今为止尽管该材料仍处于研究状态，但GelMA和GelMA复合材料的应用非常广泛，从有机芯片到功能性血管网络的组织工程，关节软骨和皮肤，也有越来越多的转化研究发表出来。因此，我们和其他人正在努力扩展GelMA和GelMA复合材料的医用级，使更多材料应用于临床医学。

3 结语

开发和转化3D生物打印的多功能智能材料，如果将其应用于再生医学，应深入研究相关跨学科文献，并将关键设计参数实施于打印体系和形态设计中，使得细胞能够迁移增殖，并随后形成血管化组织及重建。