三維打印是一種低成本、高效益的生產方法，有助于改善目前皮膚修復材料產業成本高昂、利潤放緩的趨勢，并開發出性能更優秀的產品。常用于皮膚修復材料制備中的三維打印技術有熔融沉積成型技術和三維生物打印技術：其中熔融沉積成型技術具有設備簡單輕巧的優點，但材料選擇不足；三維生物打印技術可供選擇的材料較多，但設備笨重且昂貴。近年對兩種技術的研究均集中于材料的開發和應用上。本文詳細介紹了熔融沉積成型技術和三維生物打印技術的原理、在傷口敷料和組織工程皮膚生產上的研究進展，以及三維打印在皮膚組織修復上的未來發展，包括容貌修復和仿生組織工程皮膚的研究，并對三維打印技術應用在皮膚組織修復領域的發展進行了展望。
引用本文： 林越威, 敖寧建. 三維打印技術在皮膚組織修復上的應用. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(5): 805-810. doi: 10.7507/1001-5515.201711045 復制
引言
由于戰爭、災禍、疾病等原因，皮膚出現嚴重且難以愈合的傷口，患者需要使用皮膚修復材料覆蓋傷口，以保持傷口清潔衛生；吸收傷口滲出的血液和有毒物質，促進傷口更快更好地愈合。皮膚修復材料可分為皮膚替代材料和皮膚移植材料，皮膚替代材料包括紗布、傷口敷料等暫時性覆蓋傷口的材料；皮膚移植材料則包括自體或異體皮膚移植、組織工程皮膚等終身替代受損皮膚的材料[1]。過去人們用紗布覆蓋傷口，但是對傷口愈合的促進效果極微。1962 年英國科學家 Winter 提出的“濕性愈合理論”認為：傷口在潮濕環境中愈合的速度比干燥環境快，有利于清除壞死組織和毒素、促進血管形成和生長因子的作用，同時減輕傷口的痛楚[2-4]。所以，開始出現了新型傷口敷料的研究和生產。進一步研究顯示傷口處于潮濕環境中的愈合速度是干燥環境的兩倍[5]，臨床研究發現濕潤燒傷膏治療燒傷患者的療效顯著[6]，近年更發展出濕性愈合的功能性敷料[7]，證明利用“濕性愈合理論”對傷口敷料的研發在治療傷口的研究中具有極大的意義。其優點是換藥次數大幅減少，加快患者康復，并降低醫療成本[8]。但是，新型傷口敷料存在生產周期長、生產成本高昂等缺點。以殼聚糖纖維敷料為例，其生產工藝流程包括纖維開松、梳理、水刺加固、烘干、卷取等繁瑣的過程[9]。我國醫用敷料產業在 2015 年有 6 個月的出口額同比均下滑，其中 11 月同比降幅 16.6 %，由于我國產業技術水平不高，企業議價能力較差，產品價格始終處于較低水平，如若不能較好地控制成本，未來行業利潤增長將進一步放緩[10]。
對于較為嚴重——直徑大于 4 cm 的全層皮膚損傷，皮膚完全失去自我修復能力，則需要利用皮膚移植材料覆蓋保護傷口，并誘導細胞生長分化，再生成皮膚組織。皮膚移植材料可分為自體皮膚、異體皮膚和組織工程皮膚三種，而組織工程皮膚又可分為天然生物支架、人工合成支架和生物材料合成支架三種[11]。自體和異體皮膚存在供體不足、難以大批量生產的缺點。天然生物支架是直接使用動物組織如皮膚、羊膜等脫細胞制備成支架材料，來源短缺，且容易造成跨物種病毒感染；人工合成支架使用合成高分子材料制備成支架材料，可工業化生產制備；生物材料合成支架則使用從生物體提取的天然高分子材料制備成支架材料，來源較人工合成材料短缺，但治療效果比人工合成材料好，鮮有跨物種病毒感染。皮膚移植材料在國內外市場上都有較多的產品，包括表皮替代、真皮替代和全皮替代等產品在臨床上應用廣泛，能有效再生成皮膚組織[12]。然而皮膚移植材料對生產環境、設備、運輸、保存等要求較高，大大增加了其生產和應用的成本。因此，一些結構簡單、成分明確、易于保存和運輸的組織工程皮膚在市場上會有較大的優勢[13]。可見對皮膚修復材料產業而言，控制成本是至關重要的一環。
近年來，三維打印技術開始被廣泛應用于人工器官和組織工程等生物醫學領域中，配合計算機建模可控制產物的孔率和孔徑，有效滿足醫療器械和組織工程支架生產的需要[14-17]。田曉紅等[18]研究發現使用三維打印制備的組織工程支架培養大鼠脂肪源性干細胞，其細胞存活率和細胞活力都有所提高，表明三維打印技術在組織工程的研究上意義重大。利用三維打印技術進行生產的成本較傳統生產方法低廉，同時適合大批量生產高復雜度的產品。如今國家正計劃發展三維打印產業，目標為 2020 年實現產業年銷售收入超過 200 億元，年均增速在 30% 以上，并鼓勵應用于航天、醫療等領域當中[19]。進一步而言，三維打印設備輕巧簡單，可以在醫院使用，也可以隨救援隊伍攜帶到災難現場，隨時隨地按需要進行傷口敷料的制備，即時對傷者進行救援；并可結合醫學成像技術，按患者的病灶形狀需要，量身設計合適的植入物，廣泛應用于骨科和牙科領域的臨床測試[20]。三維打印技術應用于皮膚修復材料生產當中的優越性在于有效降低生產成本、減省復雜的生產工藝，且可以在需要使用時立刻進行快速生產，降低保存和運輸帶來的成本，提高經濟效益。本文將對近年應用三維打印技術制備傷口敷料和組織工程皮膚的研究進行綜述，并展望未來的應用和發展。
1 三維打印技術制備皮膚修復材料
三維打印技術是一種增材制造技術，通過計算機輔助設計軟件設計出產品的三維模型，再把模型沿 z 軸劃分成多個數百微米厚的層面，將三維模型變成一系列的二維層片，然后通過三維打印機以分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料，將連續的薄型層面逐層堆疊起來，最終制備得到產品實體形態的技術。相比傳統生產技術，三維打印技術具備成本低廉、生產周期短的優點，且可以精準地進行大批量生產，適合應用于皮膚修復材料產業當中，從而有利于增加產業盈利，亦可降低患者的醫療開支[21]。從產業的角度對三維打印技術的要求包括：生產過程中不產生有毒有害物質、精準快速制備產物、產物具有恰當的物理和生物性能等。對于三維打印的產業和技術研發而言，材料的選擇是最為重要的一環，由于三維打印技術對材料有要求，而能用于三維打印的材料性能有可能與目標性能相違背，因此找到合適的材料對三維打印的產業和技術研發來說是首先需要克服的難題，近年的研究也多集中于此。
使用三維打印技術制備皮膚修復材料最基本的要求是符合皮膚修復的需要，如吸水性、透氣性、抗菌性、力學性能、生物相容性等，進一步而言，材料必須能夠加入擠出機中熔融或者配成黏稠的溶液，被打印頭擠出后快速固化并保持形狀，以層層堆疊形成產物。較常用的材料包含殼聚糖、膠原蛋白、海藻酸鈉、聚乙烯醇、聚氨酯等。本節將介紹較常用于皮膚修復材料制備的三維打印技術，即熔融沉積成型技術和三維生物打印技術。
1.1 熔融沉積成型技術
熔融沉積成型技術的原理是使用步進電機把絲狀材料推送到打印頭加熱熔融，通過步進電機進一步推送產生壓力，把材料擠壓出打印頭，并透過電腦控制熱床和打印頭移動，以打印出立體產物。熔融沉積成型技術的優點是設備輕巧簡單，市場上已經存在不少桌面級的熔融沉積成型打印機產品，其價格低廉，一般為數千到一萬人民幣。但是，較適合用于熔融沉積成型技術制備的材料只有聚氨酯和聚乙烯醇，這兩種材料在市場上已有打印耗材供應，可在桌面級熔融沉積成型三維打印機使用。由于材料種類有限，且多為疏水性材料，難以符合制備皮膚修復材料所需的要求。
應用熔融沉積成型技術制備皮膚修復材料的研究主要集中于開發新型材料上，而對材料加入生長因子或抗菌劑是較為重要的研究方向。由于熔融沉積成型技術需要對材料進行加熱熔融，導致大部分有機的生長因子、抗菌劑等無法應用于該技術當中，而其中一種解決方法是在三維打印材料中加入無機固體相抗菌劑。Kim 等[22]把聚氨酯和質量為聚氨酯 1%～4% 的碳納米管復合制備成絲狀材料，應用于熔融沉積成型技術當中，打印在聚氨酯三維打印樣品上，可作為壓力傳感器使用。他們對樣品 x 軸、y 軸和 z 軸三個方向進行彎曲測試，測得樣品 z 軸的彎曲變形較大，而 x 軸和 y 軸較小，整體力學性能較佳。碳納米管具有抗菌效果，可作為固體相抗菌劑應用于三維打印敷料的制備當中，調控碳納米管的含量和合適的產品設計可保障產品有較佳的力學性能，并能發揮抗菌效果。
另一個在熔融沉積成型材料中加入生長因子或抗菌劑的方法是應用低溫熔融沉積成型技術（low-temperature deposition manufacturing），其原理是把液態的材料擠出到低溫的空腔內固化成型，可使用多糖類、蛋白類等材料進行打印[23]。Hung 等[24]使用聚己內酯和聚己二酸丁二醇酯二醇與異佛爾酮二異氰酸酯反應合成生物降解性聚氨酯，再與透明質酸和生長因子 Y27632 及 TGFβ3 復合制備成打印材料，打印到–30℃的空腔內，產物具有良好的彈性，經過多次壓縮依然可以恢復原來形狀，并經過細胞和動物實驗表明其具有促進細胞生長和組織修復的效果，適合作為皮膚修復材料使用。低溫熔融沉積成型技術打破了熔融沉積成型技術必須在高溫下進行的局限性，提供了一個使用熔融沉積成型技術打印含有機生長因子或抗菌劑材料的方法，然而低溫熔融沉積成型技術的設備較一般熔融沉積成型技術復雜，較難制成桌面級儀器，因此設備的小型化和簡單化將會是低溫熔融沉積成型技術發展的一大難題。
近年亦有不少學者為滿足三維打印制備皮膚修復材料的需求，開發出用于熔融沉積成型技術的材料和方法。Mohanty 等[25]使用聚乙烯醇打印出產品的模具，加入聚二甲基硅氧烷后用水把聚乙烯醇模具溶解去除，制備成多孔支架，細胞可在支架內生長，適合作為組織工程皮膚使用。該研究解決了熔融沉積成型可用材料不足的問題，且產物能保留三維打印整齊的孔洞結構，但是這種生產方法依然依賴于模具，且模具不能重復使用，存在浪費材料、生產周期延長的問題。
在材料開發方面，Muwaffak 等[26]使用聚己內酯作為三維打印材料，加入硝酸銀、硫酸銅和氧化鋅等抗菌劑，再使用熔融沉積成型技術打印成傷口敷料，有良好的抗菌效果，并可以配合三維掃描儀制備出與傷口形狀吻合的傷口敷料。因為聚己內酯是一種熔點低、分解溫度高的塑料，易于制成絲狀材料，適合用于熔融沉積成型當中，而且材料安全無毒，可被人體降解吸收，因此近年經常被應用于骨組織工程支架的制備和研究中；然而聚己內酯是疏水性材料，制備的產物難以達到傷口敷料對吸水性和透氣性的要求，因此必須對聚己內酯進行親水改性才能應用于皮膚修復材料的制備當中。Cheng 等[27]對聚己內酯和聚乙二醇的端基進行改性，制備成聚己內酯-二丙烯酸酯和聚乙二醇-二丙烯酸酯，并混合不同分量的殼聚糖，用于光固化成型當中。該材料測得接觸角為 20.2～38.0°，結果顯示材料改性后親水性有所提高，而熔點則維持在 44.6～54.8℃，表示材料經過改性后依然保持低熔點的優點，同時適合應用于熔融沉積成型技術制備皮膚修復材料，并提供了使用熔融沉積成型技術對殼聚糖等糖類材料進行加工的可能性。
糖類材料是常用于皮膚修復的天然材料，然而大部分多糖材料的熔點高于分解溫度，導致難以進行熔融加工，更難以用于熔融沉積成型技術當中。單糖材料的熔點較低，可進行熔融加工，然而單糖材料脆性較大，難以符合皮膚修復材料對力學性能的要求。Bégin-Drolet 等[28]使用葡萄糖和蔗糖混合制成糖玻璃作為打印材料，并在打印頭加入了一個空氣冷卻系統，使糖玻璃在打印后可以快速冷卻成型，產物有較高的精度；為了增加材料的韌性，他們在打印成型的糖玻璃支架外面加入聚二甲硅氧烷水凝膠，提升材料的韌性并提供適合細胞生長的環境，從而適合作為皮膚修復材料使用。熔融沉積成型具有設備輕巧、操作簡單等優點，然而由于材料選擇甚少，特別難以滿足皮膚修復材料的要求，導致該領域研究走向瓶頸。
1.2 三維生物打印技術
三維生物打印技術是特別為了解決生物醫學產品使用三維打印技術生產的難題而開發的技術，可以使用生物醫學上常用的材料，例如大部分多糖、蛋白、抗菌劑、生長因子等作為生物油墨（bioink），透過氣動、活塞或螺桿把生物油墨擠出，由電腦控制打印成立體產品，并且可以連細胞一起進行原位打印，從而得到含有細胞的組織工程支架[29-30]。三維生物打印可分為噴墨擠壓式生物打印（inkjet and extrusion based bioprinting）和光輔助生物打印（light-assisted bioprinting）兩種。噴墨擠壓式生物打印使用溶液作為打印材料，需要有一定的黏性，在打印頭內被加壓擠出后流動性較低方可層層堆疊成型，成型后需要噴灑固化劑或進行干燥使產品固化；光輔助生物打印使用光線照射使擠出成型的材料固化成型的技術，可以照射可見光或紫外線進行固化，也可以使用激光定點固化材料，而材料必須具有碳碳雙鍵以進行自由基聚合反應而固化，得到的產品精度相對較高，可達到亞微米水平[31]。兩者當中以噴墨擠壓式生物打印較為常用。
對于皮膚修復材料而言，特別是生物打印制備組織工程皮膚，三維生物打印技術提供更多類型的材料選擇，并由于可以原位打印細胞，提供了打印產物原位生長成毛孔、汗腺等皮膚附屬器的可能性[32]。劉南波[33]復合了海藻酸鈉、明膠、成真皮基質均漿、293T 細胞和汗腺專用培養基作為生物油墨，使用噴墨擠壓式生物打印制備組織工程皮膚，經體外培養實驗表明可以生長出汗腺樣組織。該研究對組織工程皮膚而言是突破性的結果，然而該組織工程皮膚尚未經過動物實驗和臨床試驗驗證，是否能修復皮膚的全部功能仍是未知之數。
三維生物打印技術的材料選擇較多，從生物提取的多糖、蛋白質等材料都可以作為生物油墨使用。孫凱等[34]從桑蠶絲中提取絲蛋白，從牛筋腱中提取膠原蛋白，復合制備成生物油墨，使用噴墨擠壓式生物打印制備出組織工程支架，有良好的吸水性能，適合作為皮膚修復材料使用。Rodriguez 等[35]復合絲蛋白、明膠和甘油作為生物油墨，使用噴墨擠壓式生物打印制備出組織工程支架，經動物實驗表明有較佳的生物相容性。絲蛋白是常用于組織工程當中的生物材料，在自然界的蘊藏量較多，具有較好的生物相容性、降解性等優點，通過使用三維生物打印技術可以對絲蛋白產品進行快速成型生產，無疑是重大的突破。
除了從動物提取材料以外，還可以直接從人體內提取材料進行打印。Pati 等[36]從人體抽取脂肪組織進行脫細胞處理作為生物油墨，與聚己內酯一起進行噴墨擠壓式生物打印，制備成乳房假體。這種技術同樣適用于組織工程皮膚的制備當中，從患者皮膚中提取適當的組織和細胞，進行生物打印制備成組織工程皮膚再植入到受傷的皮膚上，可取得自體移植的效果而對患者產生的二次傷害較小，可達到個體化醫療。
三維生物打印技術使用的生物油墨一般在室溫下為液體，在打印完成后依然具有流動性，容易在打印后出現變形，因此打印后對產品進行固化是最為重要的一步，較常用的方法包括烘干、冷凍干燥、噴灑交聯劑、光交聯等。Bootsma 等[37]復合海藻酸鈉、碳酸鈣、葡萄糖內酯、N,N-甲叉雙丙烯酰胺、過硫酸銨和光起始劑-1173 作為生物油墨，使用光輔助生物打印制備軟組織修復材料，在打印同時對產品照射紫外線使材料交聯固化，產生互穿網絡聚合物，產物具有較好的吸水性能和力學性能，適合作為皮膚修復材料使用。這方法可以有效地讓擠出的生物油墨快速固化成型，然而大部分光交聯劑都有細胞毒性，不適宜作為醫療產品使用，因此需要開發無毒的交聯固化方法，以滿足醫療產品的需要。谷龍[38]設計了一臺專門用于打印皮膚修復材料的三維生物打印機，在打印機里加入了霧化裝置，每打印一層立刻噴灑交聯劑使材料固化，他們復合海藻酸鈉、明膠和成纖維細胞作為生物油墨，使用噴墨擠壓式生物打印制備組織工程皮膚，并對每一層噴灑氯化鈣交聯固化，產物具有良好的細胞相容性，經動物實驗表明有促進傷口愈合的效果。氯化鈣對人體無害，海藻酸鈉被氯化鈣交聯后有良好的生物相容性，適合用作皮膚修復材料。三維生物打印技術是較為新型的三維打印技術，為生物醫學產品的快速成型提供了全新的方法，然而設備價格較為高昂，一般需要數萬到數百萬人民幣，而且較少有桌面級儀器，因此日后的研究應集中于桌面級三維生物打印機的開發。
2 三維打印技術應用于皮膚組織修復的發展前景
三維打印除了低成本、高效率以外，還可以精準地按患者病灶幾何形狀打印出適合的修復材料，不少學者研究使用三維打印技術打印人體器官，改善移植器官供體不足、大量患者無法得到器官移植的現狀。器官打印可分為前處理（pre processing）、處理（processing）和后處理（post processing）三個部分。前處理包括應用醫學成像技術對病灶進行立體成像，由電腦對影像進行處理生成標準模板庫文件和 G 代碼；處理包括打印機按 G 代碼打印出產物所需的立體構象；后處理包括對產物進行體外細胞培養，使其生長成具有功能的器官并植入人體[39]。按這個方法除了可以制備出符合皮膚修復材料的物理和生物學要求的產品之外，還可以打印出符合患者傷口三維結構的產品，特別適合應用于面部皮膚創傷修復，可按照患者受傷毀容前面部的三維結構設計模型，打印出組織工程皮膚并植入到傷患處后按模型形狀生長出新的皮膚，可達到鼻和耳廓形態的修復[40-43]。在芬蘭有學者研究使用三維數字影像技術（three-dimensional digital imaging）對志愿者的面部三維結構進行記錄，然后用 ZP150 粉末進行三維打印，制備用于面部移植材料的模型，可在 9～15 h 內制備出整個面孔的模型，成本約為 1 500 歐元[44]。這項技術為毀容患者提供了容顏恢復的可能性，然而所使用的 ZP150 粉末為石膏類材料，不適合用于皮膚修復，且所使用的面部三維結構模型來自志愿者而非患者本身，修復后容貌會有所改變，因此需要開發合適材料，并建立面部三維結構數據庫，收集每個人面部的三維結構模型，并定期更新，讓患者毀容后可使用自身面部三維結構模型進行修復，以達到個體化的容貌修復。
另一方面，借助三維打印技術進行仿生設計和生產，有可能實現以人工方法制備出與人體皮膚結構完全一致的仿生組織工程皮膚。已有文獻報道使用三維打印技術設計并打印出模仿魚鱗和穿山甲殼的產物，提升產物的力學性能[45]，這種技術應用在組織工程皮膚的制備當中，可通過設計出包括毛孔、汗腺等皮膚附屬器的三維模型，把生物材料與細胞、生長因子等進行原位打印，并在體外培養出具有皮膚附屬器的皮膚組織，植入到患者體內，可解決組織工程皮膚無法生長出毛孔和汗腺、患者皮膚修復后難以散熱的問題。然而以現在三維打印技術的精度來說，要精確打印出皮膚附屬器的三維結構比較困難，因此必須提升三維打印技術的精度才有望實現使用三維打印技術制備仿生組織工程皮膚。
3 總結與展望
使用三維打印技術進行生產的成本低廉、生產周期短，對于皮膚修復材料產業來說可有效降低運輸、保存等成本，提升行業利潤。其中熔融沉積成型技術具有設備輕巧簡單、價格低廉、操作容易等優點，然而由于材料選擇甚少，日后難以有更大的突破，因此向低溫熔融沉積成型的方向發展將會是大勢所趨。將來可能發展出同時擁有高溫和低溫打印頭、平臺溫度可達–30～80℃的熔融沉積成型三維打印機，使用高溫打印頭打印塑料給予產品適當的物理學性能，再用低溫打印頭打印多糖、蛋白等材料給予產品生物學性能，以制備出性能更為優秀的皮膚修復材料，應用于新型傷口敷料的生產當中。三維生物打印技術可選擇的材料較多，而且可以對細胞和生長因子進行原位打印，減省了細胞吸附到材料上的過程，縮短了體外培養組織工程皮膚的時間，可有效縮短生產周期、節約成本，但相關技術依然有待完善。期待以后發展出更為簡單、便宜的三維生物打印設備，可實現大批量生產組織工程皮膚，以滿足市場的需求。
現在應用三維打印的新型設備和技術價格較為高昂，導致一些中小型企業較難開展三維打印相關的生產和業務，然而應用三維打印技術可降低企業的生產成本和營運成本，有效增加企業利潤，打破皮膚修復材料產業成本高、利潤增長放緩的困局，且三維打印技術不單單可以應用在皮膚修復材料的大批量生產當中，還可以在醫院使用，配合對患者的診斷即時進行相應的皮膚修復材料生產，甚至直接打印在患者的傷口上，有效降低患者的醫療成本和縮短治療時間。該技術將來的發展可更多地應用于毀容患者的容貌修復、仿生組織工程皮膚的生產等領域。
引言
由于戰爭、災禍、疾病等原因，皮膚出現嚴重且難以愈合的傷口，患者需要使用皮膚修復材料覆蓋傷口，以保持傷口清潔衛生；吸收傷口滲出的血液和有毒物質，促進傷口更快更好地愈合。皮膚修復材料可分為皮膚替代材料和皮膚移植材料，皮膚替代材料包括紗布、傷口敷料等暫時性覆蓋傷口的材料；皮膚移植材料則包括自體或異體皮膚移植、組織工程皮膚等終身替代受損皮膚的材料[1]。過去人們用紗布覆蓋傷口，但是對傷口愈合的促進效果極微。1962 年英國科學家 Winter 提出的“濕性愈合理論”認為：傷口在潮濕環境中愈合的速度比干燥環境快，有利于清除壞死組織和毒素、促進血管形成和生長因子的作用，同時減輕傷口的痛楚[2-4]。所以，開始出現了新型傷口敷料的研究和生產。進一步研究顯示傷口處于潮濕環境中的愈合速度是干燥環境的兩倍[5]，臨床研究發現濕潤燒傷膏治療燒傷患者的療效顯著[6]，近年更發展出濕性愈合的功能性敷料[7]，證明利用“濕性愈合理論”對傷口敷料的研發在治療傷口的研究中具有極大的意義。其優點是換藥次數大幅減少，加快患者康復，并降低醫療成本[8]。但是，新型傷口敷料存在生產周期長、生產成本高昂等缺點。以殼聚糖纖維敷料為例，其生產工藝流程包括纖維開松、梳理、水刺加固、烘干、卷取等繁瑣的過程[9]。我國醫用敷料產業在 2015 年有 6 個月的出口額同比均下滑，其中 11 月同比降幅 16.6 %，由于我國產業技術水平不高，企業議價能力較差，產品價格始終處于較低水平，如若不能較好地控制成本，未來行業利潤增長將進一步放緩[10]。
對于較為嚴重——直徑大于 4 cm 的全層皮膚損傷，皮膚完全失去自我修復能力，則需要利用皮膚移植材料覆蓋保護傷口，并誘導細胞生長分化，再生成皮膚組織。皮膚移植材料可分為自體皮膚、異體皮膚和組織工程皮膚三種，而組織工程皮膚又可分為天然生物支架、人工合成支架和生物材料合成支架三種[11]。自體和異體皮膚存在供體不足、難以大批量生產的缺點。天然生物支架是直接使用動物組織如皮膚、羊膜等脫細胞制備成支架材料，來源短缺，且容易造成跨物種病毒感染；人工合成支架使用合成高分子材料制備成支架材料，可工業化生產制備；生物材料合成支架則使用從生物體提取的天然高分子材料制備成支架材料，來源較人工合成材料短缺，但治療效果比人工合成材料好，鮮有跨物種病毒感染。皮膚移植材料在國內外市場上都有較多的產品，包括表皮替代、真皮替代和全皮替代等產品在臨床上應用廣泛，能有效再生成皮膚組織[12]。然而皮膚移植材料對生產環境、設備、運輸、保存等要求較高，大大增加了其生產和應用的成本。因此，一些結構簡單、成分明確、易于保存和運輸的組織工程皮膚在市場上會有較大的優勢[13]。可見對皮膚修復材料產業而言，控制成本是至關重要的一環。
近年來，三維打印技術開始被廣泛應用于人工器官和組織工程等生物醫學領域中，配合計算機建模可控制產物的孔率和孔徑，有效滿足醫療器械和組織工程支架生產的需要[14-17]。田曉紅等[18]研究發現使用三維打印制備的組織工程支架培養大鼠脂肪源性干細胞，其細胞存活率和細胞活力都有所提高，表明三維打印技術在組織工程的研究上意義重大。利用三維打印技術進行生產的成本較傳統生產方法低廉，同時適合大批量生產高復雜度的產品。如今國家正計劃發展三維打印產業，目標為 2020 年實現產業年銷售收入超過 200 億元，年均增速在 30% 以上，并鼓勵應用于航天、醫療等領域當中[19]。進一步而言，三維打印設備輕巧簡單，可以在醫院使用，也可以隨救援隊伍攜帶到災難現場，隨時隨地按需要進行傷口敷料的制備，即時對傷者進行救援；并可結合醫學成像技術，按患者的病灶形狀需要，量身設計合適的植入物，廣泛應用于骨科和牙科領域的臨床測試[20]。三維打印技術應用于皮膚修復材料生產當中的優越性在于有效降低生產成本、減省復雜的生產工藝，且可以在需要使用時立刻進行快速生產，降低保存和運輸帶來的成本，提高經濟效益。本文將對近年應用三維打印技術制備傷口敷料和組織工程皮膚的研究進行綜述，并展望未來的應用和發展。
1 三維打印技術制備皮膚修復材料
三維打印技術是一種增材制造技術，通過計算機輔助設計軟件設計出產品的三維模型，再把模型沿 z 軸劃分成多個數百微米厚的層面，將三維模型變成一系列的二維層片，然后通過三維打印機以分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料，將連續的薄型層面逐層堆疊起來，最終制備得到產品實體形態的技術。相比傳統生產技術，三維打印技術具備成本低廉、生產周期短的優點，且可以精準地進行大批量生產，適合應用于皮膚修復材料產業當中，從而有利于增加產業盈利，亦可降低患者的醫療開支[21]。從產業的角度對三維打印技術的要求包括：生產過程中不產生有毒有害物質、精準快速制備產物、產物具有恰當的物理和生物性能等。對于三維打印的產業和技術研發而言，材料的選擇是最為重要的一環，由于三維打印技術對材料有要求，而能用于三維打印的材料性能有可能與目標性能相違背，因此找到合適的材料對三維打印的產業和技術研發來說是首先需要克服的難題，近年的研究也多集中于此。
使用三維打印技術制備皮膚修復材料最基本的要求是符合皮膚修復的需要，如吸水性、透氣性、抗菌性、力學性能、生物相容性等，進一步而言，材料必須能夠加入擠出機中熔融或者配成黏稠的溶液，被打印頭擠出后快速固化并保持形狀，以層層堆疊形成產物。較常用的材料包含殼聚糖、膠原蛋白、海藻酸鈉、聚乙烯醇、聚氨酯等。本節將介紹較常用于皮膚修復材料制備的三維打印技術，即熔融沉積成型技術和三維生物打印技術。
1.1 熔融沉積成型技術
熔融沉積成型技術的原理是使用步進電機把絲狀材料推送到打印頭加熱熔融，通過步進電機進一步推送產生壓力，把材料擠壓出打印頭，并透過電腦控制熱床和打印頭移動，以打印出立體產物。熔融沉積成型技術的優點是設備輕巧簡單，市場上已經存在不少桌面級的熔融沉積成型打印機產品，其價格低廉，一般為數千到一萬人民幣。但是，較適合用于熔融沉積成型技術制備的材料只有聚氨酯和聚乙烯醇，這兩種材料在市場上已有打印耗材供應，可在桌面級熔融沉積成型三維打印機使用。由于材料種類有限，且多為疏水性材料，難以符合制備皮膚修復材料所需的要求。
應用熔融沉積成型技術制備皮膚修復材料的研究主要集中于開發新型材料上，而對材料加入生長因子或抗菌劑是較為重要的研究方向。由于熔融沉積成型技術需要對材料進行加熱熔融，導致大部分有機的生長因子、抗菌劑等無法應用于該技術當中，而其中一種解決方法是在三維打印材料中加入無機固體相抗菌劑。Kim 等[22]把聚氨酯和質量為聚氨酯 1%～4% 的碳納米管復合制備成絲狀材料，應用于熔融沉積成型技術當中，打印在聚氨酯三維打印樣品上，可作為壓力傳感器使用。他們對樣品 x 軸、y 軸和 z 軸三個方向進行彎曲測試，測得樣品 z 軸的彎曲變形較大，而 x 軸和 y 軸較小，整體力學性能較佳。碳納米管具有抗菌效果，可作為固體相抗菌劑應用于三維打印敷料的制備當中，調控碳納米管的含量和合適的產品設計可保障產品有較佳的力學性能，并能發揮抗菌效果。
另一個在熔融沉積成型材料中加入生長因子或抗菌劑的方法是應用低溫熔融沉積成型技術（low-temperature deposition manufacturing），其原理是把液態的材料擠出到低溫的空腔內固化成型，可使用多糖類、蛋白類等材料進行打印[23]。Hung 等[24]使用聚己內酯和聚己二酸丁二醇酯二醇與異佛爾酮二異氰酸酯反應合成生物降解性聚氨酯，再與透明質酸和生長因子 Y27632 及 TGFβ3 復合制備成打印材料，打印到–30℃的空腔內，產物具有良好的彈性，經過多次壓縮依然可以恢復原來形狀，并經過細胞和動物實驗表明其具有促進細胞生長和組織修復的效果，適合作為皮膚修復材料使用。低溫熔融沉積成型技術打破了熔融沉積成型技術必須在高溫下進行的局限性，提供了一個使用熔融沉積成型技術打印含有機生長因子或抗菌劑材料的方法，然而低溫熔融沉積成型技術的設備較一般熔融沉積成型技術復雜，較難制成桌面級儀器，因此設備的小型化和簡單化將會是低溫熔融沉積成型技術發展的一大難題。
近年亦有不少學者為滿足三維打印制備皮膚修復材料的需求，開發出用于熔融沉積成型技術的材料和方法。Mohanty 等[25]使用聚乙烯醇打印出產品的模具，加入聚二甲基硅氧烷后用水把聚乙烯醇模具溶解去除，制備成多孔支架，細胞可在支架內生長，適合作為組織工程皮膚使用。該研究解決了熔融沉積成型可用材料不足的問題，且產物能保留三維打印整齊的孔洞結構，但是這種生產方法依然依賴于模具，且模具不能重復使用，存在浪費材料、生產周期延長的問題。
在材料開發方面，Muwaffak 等[26]使用聚己內酯作為三維打印材料，加入硝酸銀、硫酸銅和氧化鋅等抗菌劑，再使用熔融沉積成型技術打印成傷口敷料，有良好的抗菌效果，并可以配合三維掃描儀制備出與傷口形狀吻合的傷口敷料。因為聚己內酯是一種熔點低、分解溫度高的塑料，易于制成絲狀材料，適合用于熔融沉積成型當中，而且材料安全無毒，可被人體降解吸收，因此近年經常被應用于骨組織工程支架的制備和研究中；然而聚己內酯是疏水性材料，制備的產物難以達到傷口敷料對吸水性和透氣性的要求，因此必須對聚己內酯進行親水改性才能應用于皮膚修復材料的制備當中。Cheng 等[27]對聚己內酯和聚乙二醇的端基進行改性，制備成聚己內酯-二丙烯酸酯和聚乙二醇-二丙烯酸酯，并混合不同分量的殼聚糖，用于光固化成型當中。該材料測得接觸角為 20.2～38.0°，結果顯示材料改性后親水性有所提高，而熔點則維持在 44.6～54.8℃，表示材料經過改性后依然保持低熔點的優點，同時適合應用于熔融沉積成型技術制備皮膚修復材料，并提供了使用熔融沉積成型技術對殼聚糖等糖類材料進行加工的可能性。
糖類材料是常用于皮膚修復的天然材料，然而大部分多糖材料的熔點高于分解溫度，導致難以進行熔融加工，更難以用于熔融沉積成型技術當中。單糖材料的熔點較低，可進行熔融加工，然而單糖材料脆性較大，難以符合皮膚修復材料對力學性能的要求。Bégin-Drolet 等[28]使用葡萄糖和蔗糖混合制成糖玻璃作為打印材料，并在打印頭加入了一個空氣冷卻系統，使糖玻璃在打印后可以快速冷卻成型，產物有較高的精度；為了增加材料的韌性，他們在打印成型的糖玻璃支架外面加入聚二甲硅氧烷水凝膠，提升材料的韌性并提供適合細胞生長的環境，從而適合作為皮膚修復材料使用。熔融沉積成型具有設備輕巧、操作簡單等優點，然而由于材料選擇甚少，特別難以滿足皮膚修復材料的要求，導致該領域研究走向瓶頸。
1.2 三維生物打印技術
三維生物打印技術是特別為了解決生物醫學產品使用三維打印技術生產的難題而開發的技術，可以使用生物醫學上常用的材料，例如大部分多糖、蛋白、抗菌劑、生長因子等作為生物油墨（bioink），透過氣動、活塞或螺桿把生物油墨擠出，由電腦控制打印成立體產品，并且可以連細胞一起進行原位打印，從而得到含有細胞的組織工程支架[29-30]。三維生物打印可分為噴墨擠壓式生物打印（inkjet and extrusion based bioprinting）和光輔助生物打印（light-assisted bioprinting）兩種。噴墨擠壓式生物打印使用溶液作為打印材料，需要有一定的黏性，在打印頭內被加壓擠出后流動性較低方可層層堆疊成型，成型后需要噴灑固化劑或進行干燥使產品固化；光輔助生物打印使用光線照射使擠出成型的材料固化成型的技術，可以照射可見光或紫外線進行固化，也可以使用激光定點固化材料，而材料必須具有碳碳雙鍵以進行自由基聚合反應而固化，得到的產品精度相對較高，可達到亞微米水平[31]。兩者當中以噴墨擠壓式生物打印較為常用。
對于皮膚修復材料而言，特別是生物打印制備組織工程皮膚，三維生物打印技術提供更多類型的材料選擇，并由于可以原位打印細胞，提供了打印產物原位生長成毛孔、汗腺等皮膚附屬器的可能性[32]。劉南波[33]復合了海藻酸鈉、明膠、成真皮基質均漿、293T 細胞和汗腺專用培養基作為生物油墨，使用噴墨擠壓式生物打印制備組織工程皮膚，經體外培養實驗表明可以生長出汗腺樣組織。該研究對組織工程皮膚而言是突破性的結果，然而該組織工程皮膚尚未經過動物實驗和臨床試驗驗證，是否能修復皮膚的全部功能仍是未知之數。
三維生物打印技術的材料選擇較多，從生物提取的多糖、蛋白質等材料都可以作為生物油墨使用。孫凱等[34]從桑蠶絲中提取絲蛋白，從牛筋腱中提取膠原蛋白，復合制備成生物油墨，使用噴墨擠壓式生物打印制備出組織工程支架，有良好的吸水性能，適合作為皮膚修復材料使用。Rodriguez 等[35]復合絲蛋白、明膠和甘油作為生物油墨，使用噴墨擠壓式生物打印制備出組織工程支架，經動物實驗表明有較佳的生物相容性。絲蛋白是常用于組織工程當中的生物材料，在自然界的蘊藏量較多，具有較好的生物相容性、降解性等優點，通過使用三維生物打印技術可以對絲蛋白產品進行快速成型生產，無疑是重大的突破。
除了從動物提取材料以外，還可以直接從人體內提取材料進行打印。Pati 等[36]從人體抽取脂肪組織進行脫細胞處理作為生物油墨，與聚己內酯一起進行噴墨擠壓式生物打印，制備成乳房假體。這種技術同樣適用于組織工程皮膚的制備當中，從患者皮膚中提取適當的組織和細胞，進行生物打印制備成組織工程皮膚再植入到受傷的皮膚上，可取得自體移植的效果而對患者產生的二次傷害較小，可達到個體化醫療。
三維生物打印技術使用的生物油墨一般在室溫下為液體，在打印完成后依然具有流動性，容易在打印后出現變形，因此打印后對產品進行固化是最為重要的一步，較常用的方法包括烘干、冷凍干燥、噴灑交聯劑、光交聯等。Bootsma 等[37]復合海藻酸鈉、碳酸鈣、葡萄糖內酯、N,N-甲叉雙丙烯酰胺、過硫酸銨和光起始劑-1173 作為生物油墨，使用光輔助生物打印制備軟組織修復材料，在打印同時對產品照射紫外線使材料交聯固化，產生互穿網絡聚合物，產物具有較好的吸水性能和力學性能，適合作為皮膚修復材料使用。這方法可以有效地讓擠出的生物油墨快速固化成型，然而大部分光交聯劑都有細胞毒性，不適宜作為醫療產品使用，因此需要開發無毒的交聯固化方法，以滿足醫療產品的需要。谷龍[38]設計了一臺專門用于打印皮膚修復材料的三維生物打印機，在打印機里加入了霧化裝置，每打印一層立刻噴灑交聯劑使材料固化，他們復合海藻酸鈉、明膠和成纖維細胞作為生物油墨，使用噴墨擠壓式生物打印制備組織工程皮膚，并對每一層噴灑氯化鈣交聯固化，產物具有良好的細胞相容性，經動物實驗表明有促進傷口愈合的效果。氯化鈣對人體無害，海藻酸鈉被氯化鈣交聯后有良好的生物相容性，適合用作皮膚修復材料。三維生物打印技術是較為新型的三維打印技術，為生物醫學產品的快速成型提供了全新的方法，然而設備價格較為高昂，一般需要數萬到數百萬人民幣，而且較少有桌面級儀器，因此日后的研究應集中于桌面級三維生物打印機的開發。
2 三維打印技術應用于皮膚組織修復的發展前景
三維打印除了低成本、高效率以外，還可以精準地按患者病灶幾何形狀打印出適合的修復材料，不少學者研究使用三維打印技術打印人體器官，改善移植器官供體不足、大量患者無法得到器官移植的現狀。器官打印可分為前處理（pre processing）、處理（processing）和后處理（post processing）三個部分。前處理包括應用醫學成像技術對病灶進行立體成像，由電腦對影像進行處理生成標準模板庫文件和 G 代碼；處理包括打印機按 G 代碼打印出產物所需的立體構象；后處理包括對產物進行體外細胞培養，使其生長成具有功能的器官并植入人體[39]。按這個方法除了可以制備出符合皮膚修復材料的物理和生物學要求的產品之外，還可以打印出符合患者傷口三維結構的產品，特別適合應用于面部皮膚創傷修復，可按照患者受傷毀容前面部的三維結構設計模型，打印出組織工程皮膚并植入到傷患處后按模型形狀生長出新的皮膚，可達到鼻和耳廓形態的修復[40-43]。在芬蘭有學者研究使用三維數字影像技術（three-dimensional digital imaging）對志愿者的面部三維結構進行記錄，然后用 ZP150 粉末進行三維打印，制備用于面部移植材料的模型，可在 9～15 h 內制備出整個面孔的模型，成本約為 1 500 歐元[44]。這項技術為毀容患者提供了容顏恢復的可能性，然而所使用的 ZP150 粉末為石膏類材料，不適合用于皮膚修復，且所使用的面部三維結構模型來自志愿者而非患者本身，修復后容貌會有所改變，因此需要開發合適材料，并建立面部三維結構數據庫，收集每個人面部的三維結構模型，并定期更新，讓患者毀容后可使用自身面部三維結構模型進行修復，以達到個體化的容貌修復。
另一方面，借助三維打印技術進行仿生設計和生產，有可能實現以人工方法制備出與人體皮膚結構完全一致的仿生組織工程皮膚。已有文獻報道使用三維打印技術設計并打印出模仿魚鱗和穿山甲殼的產物，提升產物的力學性能[45]，這種技術應用在組織工程皮膚的制備當中，可通過設計出包括毛孔、汗腺等皮膚附屬器的三維模型，把生物材料與細胞、生長因子等進行原位打印，并在體外培養出具有皮膚附屬器的皮膚組織，植入到患者體內，可解決組織工程皮膚無法生長出毛孔和汗腺、患者皮膚修復后難以散熱的問題。然而以現在三維打印技術的精度來說，要精確打印出皮膚附屬器的三維結構比較困難，因此必須提升三維打印技術的精度才有望實現使用三維打印技術制備仿生組織工程皮膚。
3 總結與展望
使用三維打印技術進行生產的成本低廉、生產周期短，對于皮膚修復材料產業來說可有效降低運輸、保存等成本，提升行業利潤。其中熔融沉積成型技術具有設備輕巧簡單、價格低廉、操作容易等優點，然而由于材料選擇甚少，日后難以有更大的突破，因此向低溫熔融沉積成型的方向發展將會是大勢所趨。將來可能發展出同時擁有高溫和低溫打印頭、平臺溫度可達–30～80℃的熔融沉積成型三維打印機，使用高溫打印頭打印塑料給予產品適當的物理學性能，再用低溫打印頭打印多糖、蛋白等材料給予產品生物學性能，以制備出性能更為優秀的皮膚修復材料，應用于新型傷口敷料的生產當中。三維生物打印技術可選擇的材料較多，而且可以對細胞和生長因子進行原位打印，減省了細胞吸附到材料上的過程，縮短了體外培養組織工程皮膚的時間，可有效縮短生產周期、節約成本，但相關技術依然有待完善。期待以后發展出更為簡單、便宜的三維生物打印設備，可實現大批量生產組織工程皮膚，以滿足市場的需求。
現在應用三維打印的新型設備和技術價格較為高昂，導致一些中小型企業較難開展三維打印相關的生產和業務，然而應用三維打印技術可降低企業的生產成本和營運成本，有效增加企業利潤，打破皮膚修復材料產業成本高、利潤增長放緩的困局，且三維打印技術不單單可以應用在皮膚修復材料的大批量生產當中，還可以在醫院使用，配合對患者的診斷即時進行相應的皮膚修復材料生產，甚至直接打印在患者的傷口上，有效降低患者的醫療成本和縮短治療時間。該技術將來的發展可更多地應用于毀容患者的容貌修復、仿生組織工程皮膚的生產等領域。