3D打印技术在运动医学损伤治疗中的应用

王立人 燕晓宇 赵金忠 彭晓春 张晓彬

近年来我国运动损伤的发生率逐年增加［1-3］。严重的运动损伤（如跟腱断裂、前交叉韧带断裂等）会严重限制患者的运动功能，通常需手术治疗。这不仅严重影响患者生活质量，还给社会造成沉重负担。目前，一些运动系统损伤的治疗方法无法使患者达到生理性愈合，导致其部分运动功能永久性受损，处理这一临床难题仍亟待新的治疗方法。

基于再生医学概念的3D打印组织工程技术为严重运动损伤患者提供了治疗可能。3D打印技术因其能精确制备支架和有效控制细胞分布被广泛应用于组织再生［4-5］。3D打印技术结合生物材料的使用可为运动损伤患者提供个性化精准制备的修复支架，实现运动损伤的完美康复。生物3D打印技术的精度为10～10 000μm，相比于其他支架制造方式更具灵活性［5-6］。本文针对3D打印技术在治疗运动系统损伤中的应用进行综述。

1 3D打印人工骨

骨组织在损伤后具有很强的再生能力，但大面积骨缺损和骨折缺乏血供时常发生骨不愈合或骨坏死，其治疗极其困难，尚缺乏有效的修复材料。3D打印的个性化人工骨可促进骨组织再生，符合临床需求，在大面积骨缺损修复中具有很好的应用前景［7］。Park等［8］以聚己内酯（PCL）混合β-磷酸三钙（TCP）为原料打印骨修复支架，应用于比格犬模型，成功修复下颌角骨缺损，并在组织学上观察到连续的新骨组织形成。因目前常用的可降解和可诱导骨修复材料（PCL、聚乳酸和聚氨酯等）不能完全解决大面积骨坏死的难题，Deng等［9］通过硅酸钙加载β-TCP制作支架与内皮细胞及间充质细胞共培养，在裸鼠皮下模型中观察到快速血管化和再生组织形成，并发现血管浸润和异位成骨。这表明支架中的骨髓间充质干细胞（BMSC）参与了新生血管形成。Yang等［10］通过3D打印技术以聚乳酸-共乙二醇、季铵化壳聚糖和羟磷灰石构建新型抗菌骨修复支架。该支架的抗压强度、拉伸强度和弹性模量介于皮质骨和松质骨之间，将其分别植入大鼠皮质骨和兔松质骨的感染缺损模型，8周后可观察到明显的骨量增加。

尽管3D打印人工骨支架的研究已取得显著进展，但仍有部分关键问题尚待解决。第一，血供。大面积骨缺损修复时，如果没有充分的血供，新生骨组织将无法获得足够营养并排出代谢产物，骨缺损中心部分必然无法形成生理性愈合，远期会形成骨组织结构的薄弱点。第二，承重能力。目前的研究已证实3D打印人工骨在小动物非承重骨上能有效促进骨再生，但尚无应用于大动物长骨修复的研究报道。第三，力学性能。3D打印人工骨的拉伸和压缩性能较正常骨组织仍有明显差异，其植入体内后易形成应力遮挡，影响骨再生效果。3D打印人工骨未来的研究重点是构建具有以下特性的带血管人工骨：①力学性能良好；②支架降解全程中均能维持力学性质稳定；③具有抗感染能力［11］。

2 3D打印肌腱

肌腱是致密的纤维结缔组织，它连接弹性模量分别为200 Mpa和20 Gpa的肌肉与骨组织，是运动损伤最好发的部位［12-13］。肌腱细胞是高度分化细胞，肌腱组织致密且缺乏血供，故肌腱损伤难以自愈，常导致患者运动功能受限［14］，而3D打印技术则能契合肌腱损伤后再生修复的需求。为了更好地促进肌腱组织再生，Wu等［15］利用电流体动力喷墨打印技术构建纤维支架。与传统电纺支架相比，该支架能更好地促进人肌腱细胞的胞内代谢，并能通过预设的定向结构诱导肌腱细胞呈定向排列，促进Ⅰ型胶原产生。进一步研究表明，支架的各向异性可影响细胞形态学，能有效促进肌腱生成基因的表达；在支架降解的几何信号和力学性能改变的过程中，3D打印支架相比于传统电纺支架能更好地平衡支架降解与组织再生过程［16］。Merceron等［17］针对传统组织工程技术无法重塑肌腱-肌肉这类复杂交界面的难题，设计了肌肉-肌腱单元的复合结构来修复损伤。该设计理论上可恢复力学的无瑕传导，实现肌腱-肌肉交界区的生理性愈合。

近年来3D打印肌腱的研究进展迅速，但目前仍存在两大问题。第一，支架力学性能不足。3D打印肌腱的支架与正常肌腱组织的力学性能仍存在明显区别，支架的拉伸和回弹性能均不足，无法充分诱导组织再生。第二，支架诱导性能不足。目前3D打印肌腱的研究仅见体外实验报道，未见相关动物体内实验研究的报道。理想的3D打印肌腱产品应由可诱导、可吸收的材料构成，应能促进交界面形成生理性愈合和移植物本身肌腱化，并能在降解全程中保持力学性能的稳定［18］。

3 3D打印骨骼肌

骨骼肌占成年人体质量的40%～45%，通过产生收缩力进行主动运动。大面积骨骼肌缺损常形成瘢痕愈合，使其力学性能严重受损，导致患者肢体功能不全。通过3D打印构建的骨骼肌支架，理论上可完美填充缺损空间，促进肌肉再生。Chen等［19］通过控制支架的微沟槽大小和细胞种植浓度，筛选出最适合细胞生长和再生基因表达的支架物理参数，通过打印曲向结构和多层肌束组织的方式构建一种新型多孔胶原支架。Kim等［20］通过调控胶原／PCL比例构建沿支架单向排列的微打印拓扑结构的新型支架，与传统胶原支架相比，该支架能更有效地诱导肌肉蛋白重链和肌肉再生相关基因的表达。肌肉组织的生理性再生不仅要求有一定的肌肉纤维再生数量，更重要的是肌肉组织的再神经化和肌肉纤维需恢复对电刺激的反应性。Kang等［21］应用整体组织器官打印技术以PCL为支架材料构建负载成肌细胞的小鼠3D打印肌肉支架（15 mm×5 mm×1 mm），并通过移植腘外侧神经促进支架神经化。将该支架移植入裸鼠皮下2周后，其恢复了对电刺激的反应力，而未移植神经的3D打印肌肉支架则未恢复反应力。

3D打印骨骼肌支架仍存在以下问题：①支架诱导性能不足。3D打印骨骼肌的相关研究以体外组织工程实验为主，鲜有动物体内实验的报道，无法证明其诱导性能。②再生组织的血管化和神经化困难。骨骼肌需行使主动收缩功能，这对再生组织的血管化和神经化以及肌纤维结构都有更高的要求，对支架材料的诱导性和降解性也要求更高［21］。利用3D打印技术，构建生理性细胞外基质，从而促进成肌细胞的定植和增殖，并预留血管化和神经化的通道，促进再生组织恢复生理性收缩功能，是3D打印骨骼肌研究亟待攻克的目标［18］。

4 3D打印半月板

半月板根据区域血供可分为3个区：红区、红-白区和白区。半月板白区的血管数量少，损伤后常延期不愈，在关节内作为异物持续产生炎症反应，常导致膝关节软骨过早退变和关节炎提早发生。3D打印技术构建的组织工程支架可恢复损伤半月板的力学支撑作用，恢复膝关节的正常功能。Bahcecioglu等［22］以PCL为支架，混入琼脂糖和明胶甲基丙烯酸酯模拟半月板内外侧纤维和软骨的交界面。将该支架与纤维软骨细胞共培养8周后，可见粘多糖和胶原含量明显增多；经动态力学刺激后，支架的Ⅰ型和Ⅱ型胶原含量明显增加。该支架的构建为全半月板置换提供了可能。Zhang等［23］采用间充质干细胞（MSC）定植的3D打印PCL半月板支架进行兔全半月板置换实验。术后24周可见种植MSC的支架较无细胞支架在大体观、组织学等方面均有更优良的表现，并发现该支架能明显抑制胫骨-股骨交界面的软骨退化。Lee等［24］将能局部释放结缔组织生长因子和转化生长因子的3D打印半月板支架用于羊半月板置换实验，术后12周观察到Ⅰ型胶原和Ⅱ型胶原明显再生；同时，再生半月板的瞬时模量、松弛模量和黏滞系数等力学性能指标达到正常半月板的水平。

3D打印组织工程半月板已在大型动物的半月板修复模型中成功应用，但仍有以下问题待解决：①3D打印组织工程半月板尚无法恢复半月板-股骨／胫骨接触面的生理性结构，支架降解会导致接触面软骨退变；②支架诱导再生的半月板与正常半月板的力学性能仍有差异。利用力学性能和生物相容性良好的支架材料构建可促进移植物与周围组织形成生理性愈合的半月板，是该领域下一步研究的重点［18］。

5 3D打印软骨

关节软骨缺乏血供，损伤后难以自愈，导致患者关节功能受损。3D打印软骨组织可个性化构建贴合软骨缺损的支架，为软骨缺损患者带来治愈的希望。Guo等［25］将蛋白聚糖和聚L-丙交酯-己内酯（PLCL）交联后打印成3D支架，联合微骨折术应用于兔软骨缺损治疗。术后8周，光学相干断层扫描图像和组织学检查显示，软骨再生量明显增加，Ⅱ型胶原含量明显恢复。Dang等［26］利用负载钼的生物陶瓷治疗兔软骨-骨复合缺损，术后12周见缺损部位的骨、软骨和透明质酸形成；同时体外实验证实，MoO42-通过低氧诱导因子-1α信号转导通路能有效促进合成代谢，抑制分解代谢，促进软骨生成。Di Bella等［27］发明了手持3D打印工具，该工具能以水凝胶和干细胞为墨水，打印用于大动物软骨缺损修复的支架。将该支架应用于羊软骨损伤模型中，取得比微骨折手术更好的修复效果。

3D打印软骨支架的研究近年来取得显著进展，能有效诱导软骨再生，其目前存在的问题如下：①即使在小型动物的实验模型中，支架再生的软骨数量和透明质酸含量较正常软骨仍有明显差异［25］。②依据现有技术，即使利用精度最高的核磁共振成像技术和3D打印设备构建的3D支架也无法完美贴合软骨缺损。阐明软骨再生机制，寻找合适的可降解、可诱导再生的材料来促进软骨修复，是未来该领域的研究重点［18］。

6 展望

3D打印技术在运动医学中的应用不断扩展，部分打印结构如半月板、软骨已在大动物模型上实现了部分再生，其进展令人瞩目。生物3D打印技术的应用对运动系统的严重损伤实现快速和生理性康复在理论上提供了可能，但迄今尚无3D打印修复产品在运动医学领域开展临床试验的研究报道。构建个性化支架结构，平衡材料降解和组织再生的力学支撑能力，促进再生组织血管化和神经化，是生物3D打印技术修复运动系统损伤未来的研究重点。随着组织再生机制进一步阐明和3D打印技术不断进步，3D打印仿生产品的精准性和仿生性优势将越来越突出，有望为运动系统损伤患者带来更大福音。