引用本文： 吳天琦, 楊春喜. 可用于骨修復的3-D打印多孔支架研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2016, 30(4): 509-513. doi: 10.7507/1002-1892.20160101 復制
3-D打印技術即固體自由成型制造技術，也被稱為快速成型技術或添加制造技術，近來已成為一種新型技術用于制造可塑性高度精確的支架。它根據計算機輔助設計的數據，以粉末層積為基礎，按照“分層制造、逐層疊加”的原理快速制造任意復雜形狀3-D物體。目前應用較多的3-D打印技術主要包括光固化立體印刷、熔融沉積成型、選擇性激光燒結、三維噴印[1]以及自動注漿成型技術[2]。
由于外傷、腫瘤切除、手術等導致的大塊骨缺損，常需植骨修復。傳統骨移植方法包括自體骨移植和異體骨移植兩種。自體骨移植一般采用患者自身髂骨移植，雖然免疫反應較低，但來源有限，且對供骨區造成了新的創傷，隨之產生一些并發癥；異體骨移植不受大小形狀等限制，但會引起較強的免疫反應，愈合時間也較緩慢，且近年來發現其交叉感染及晚期感染率大大增加，來源亦相對有限[3]。組織工程支架是一種重要的替代治療措施，有望最終解決這個問題。傳統的多孔支架制作技術有顆粒濾除法、熔融成型法、乳液冷凍干燥法、高壓氣體膨脹法、纖維立體交織法、相分離法等；其關鍵性不足是支架孔隙貫通程度不夠、孔隙率與孔分布可控性較差，既影響支架性能，也不利于細胞生長和組織血管化。骨組織工程涉及支架、成骨細胞、骨誘導和促骨生成因子刺激以及合適的生物力學環境等多重因素[4]，對力學強度、孔隙率、孔隙聯通程度具有很高的要求。3-D打印技術可在很大程度上實現支架的孔隙率、孔徑、孔容積、空間排列和其他表面特性的可控性，因此可能實現優良骨組織工程支架的制備。本文現對3-D打印技術制作的不同材料多孔支架研究進展綜述如下。
1 3-D打印多孔支架的傳統分類
1.1 金屬支架
金屬因其高強度、高負重能力、形狀記憶、惰性、超彈性等優點應用于骨組織工程，常見的金屬支架有不銹鋼、鎳、鈷合金、鈦（Ti）合金等。但金屬一般熔點較高，支架打印常需在高溫條件下進行；且支架打印時不能同步涂層生物活性分子或細胞混合打印[5]。Ti合金是目前應用最廣泛的生物打印材料，然而其彈性模量約為皮質骨的6倍，可產生應力屏蔽效應（隨時間推移，骨由于機械張力下降而萎縮且植入部位骨折）。El-Hajje等[6]以聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）為黏結劑，通過3-D打印制造多孔Ti支架，孔徑為20～24 μm，孔隙率為32.2%～53.4%，該孔隙率能促進細胞黏附進而降低其彈性模量。而其機械強度和物理特性受燒結溫度和黏結劑成分這兩種因素影響，同時該研究表明5%PVA和1 370℃條件下制造出的多孔Ti支架性能最佳：其拉伸模量、壓縮模量、羅氏強度皆接近于松質骨，抗斷強度、斷裂韌性皆高于骨組織。IVB和VB族金屬元素如鉭（Ta）、鋯（Zr）和鈮（Nb）等因耐磨性和生物相容性好，成為金屬生物材料研究的新對象。但是Ta和Nb價格很昂貴，且其強氧化性和高熔點使加工成本和難度很高，極大限制了以純Ta或純Nb作為移植物材料。為此，有研究者嘗試利用選擇性激光熔融技術將Nb制備成具有特定形狀和一定孔隙率的多孔涂層黏結在純Ti基體上，對樣品進一步體外研究表明，多孔Nb涂層在促進細胞黏附、形態學生長方面明顯優于Ti基體[7]。但對于其在臨床上的體內生物適應性仍需進一步研究[7]，而且對于這種優勢主要取決于Nb本身性質還是其多孔結構有待進一步分析。鑒于此，利用3-D打印技術將比較昂貴但性能優異的金屬材料制作成一定形狀甚至是網絡狀的涂層黏結在傳統金屬材料（如不銹鋼、鈷-鉻合金等）上，可大大節約原材料成本，增強支架性能。比利時Hasselt大學BIOMED研究所[8]基于三維圖像數據，利用熔融沉積技術將純Ti超細粉末制成人工下頜骨，成功實施了世界首例3-D打印人工下頜骨置換術，但此“量身定制”的多孔Ti支架的成骨能力及遠期效果仍待進一步觀察。
1.2 陶瓷支架
制備骨組織支架常用的陶瓷材料有氧化鋁、氧化鈷、氧化鈦、磷酸鈣、磷酸二正硅酸鈣、雙相磷酸鈣、硅酸鈣、β-磷酸三鈣、多孔羥基磷灰石等。生物陶瓷具有抗壓能力強、生物相容性好、耐腐蝕性、骨誘導能力強等優點，部分抗壓強度可達到松質骨生物力學要求。不足是脆性高、承重力低、韌性差、剪切應力弱等，并且陶瓷支架同樣需要在高溫下進行打印，打印時不能對支架同步涂層促進骨形成的生物活性分子或抗感染藥物[5]。陶瓷支架的制作方法有兩種，一種是以聚合物為黏結劑，也被稱為復合材料；另一種是利用液壓水泥原理，黏結劑溶解粉末顆粒并且新晶體彼此間交錯形成堅硬的陶瓷網絡。利用3-D噴印打印機制作納米β-磷酸三鈣支架時，材料不能水化凝固，而且和水混合后有小晶粒出現，因而以水為黏結劑難以打印出理想支架。用一定濃度檸檬酸調配，在一定溫度下保持一段時間，β-磷酸三鈣會變成內部性狀均勻的口香糖狀噴涂態，還具有自行凝固能力[9]。因而用酸作為黏結劑為陶瓷支架的3-D噴印奠定了基礎。有研究[10]利用3-D打印技術和自動旋涂技術制備了含多孔生物玻璃納米層的β-磷酸三鈣支架，與單純的β-磷酸三鈣和非多孔的含生物玻璃納米層的β-磷酸三鈣支架比較，其機械強度、對細胞組織因子的黏附力以及成骨能力大大增加。這意味著對于3-D打印生物陶瓷支架而言，要提高其理化性質和結構功能，以及促進其成骨、血管化和相關蛋白的表達能力，多孔生物玻璃納米層的應用可成為一種新方向。
1.3 聚合材料
聚合材料因其可塑性、易處理、促進細胞成骨分化、細胞黏附、可控降解等特點，在骨組織支架中研究也比較廣泛。聚合材料可分為天然聚合物和人工聚合物。天然聚合物如多糖，大多從植物（淀粉、葡萄糖、纖維素等）和動物（透明質酸鈉、膠原蛋白等）中提取，也有部分可通過化學或生物技術合成，例如利用微生物生產透明質酸鈉。由于其具有強大的親水性，一般選用水基或不含溶劑的黏結劑。因此，天然聚合物的各種粉末均可以進行3-D打印。人工聚合物可按需定制，因此其化學和機械性能常可優化，但其多難溶于水，需要有機溶劑（如氯仿）作為黏結劑，這些有毒的溶劑在快速揮發同時會溶解一些聚合物顆粒。雖然可以利用氯仿萃取技術來減少氯仿含量，但仍殘留有毒溶劑。因此，溶劑是該材料進行生物工程應用的最大限制。以聚丙烯酰胺為例，它是一種可注射的、生物可降解的聚合物，由于其具有原位交聯特性，常被用于組織工程中制作特定支架。利用3-D打印技術制作出的聚丙烯酰胺支架與其計算機輔助設計模型比較，發現按某些預設計孔徑（600、900 μm）制作出的支架在孔隙大小和孔隙率上和模型有著高匹配率，但300 μm孔徑會導致孔隙率下降甚至孔閉塞[11]。通過局部氧化后的PVA支架具有高降解性，且降解程度隨氧化程度增加而增加，更重要的是，其蛋白釋放能力明顯增加[12]。所以，聚合材料受環境影響較大，其聚合鏈性質會隨環境變化而改變，而晶體性質又會影響其機械性能；同時聚合材料降解產生酸性產物，降低局部pH值，會引起炎性反應；局部環境pH值降低可加速聚合材料酯鍵水解，促進聚合材料降解，影響支架生物力學作用[5]。
1.4 復合材料
聚合材料或金屬與陶瓷混合制成的復合材料支架已成為組織工程支架研究的新突破。陶瓷支架與聚合材料支架的結合，如同骨組織中膠原與鈣鹽的有機結合，更接近真實的骨基質環境，被許多學者用于3-D骨組織打印研究。為增強無機陶瓷粉末制造的支架強度，常需要與酸性黏結劑（如檸檬酸和磷酸）反應來增加強度；由于機體可代謝清除酸，黏結劑殘留并不是嚴重問題。但有學者認為一些后續的硬化處理或燒結過程，有時會導致磷酸氫鈣分解和焦磷酸形成[2]；并且，酸性黏結劑會降低熱噴墨打印頭的壽命而限制大規模打印[13]。有研究者為克服以上弊端，考慮采用非酸性黏結劑來進行改進，從而減少無機陶瓷材料對酸性黏結劑的使用依賴[14]：在傳統的純磷酸鈣粉末中添加硫酸鈣粉末，這種新添加的粉末有著良好的生物相容性及生物降解性，且能與水反應形成固相而提高強度，以水作為黏結劑，結果表明其在高溫3-D打印制造過程中有著理想的印刷適應性。也有研究顯示將羥基磷灰石與硫酸鈣混合粉末作為骨替換材料，耐壓強度顯著增強[14]。還有研究者[15]將膠原溶解于磷酸黏合劑溶液來制造膠原磷酸鈣復合體，通過生理熱處理和乳化劑-80來減少黏結劑的黏度和表面張力，使得膠原溶液的熱噴墨印刷更加可靠。結果表明，補充含有1～2 wt%膠原的細胞黏合劑溶液，能夠增強樣品支架的機械強度和細胞活力。選用水溶性聚合物作為黏結劑，通常可在燒結過程中經熱解去除[2]，但剩余的殘渣可能對支架的生物相容性有所影響。
陶瓷除能與聚合材料混合打印，也能與金屬粉末混合制作復合支架。微量元素鍶（Sr）在骨骼系統約占鈣含量的0.035%，當其摻入陶瓷類人工骨移植物時能促進骨再生[16]。Tarafder等[17]利用微波燒結技術在磷酸三鈣中摻雜氧化鍶-氧化鎂粉末制作復合支架，結果表明該支架孔徑變小，且與純磷酸三鈣支架相比，其類骨質生成增加，礦化作用加速；通過將該支架植入大鼠骨缺損模型中發現，骨早期愈合中大鼠血清內的骨鈣素和Ⅰ型膠原蛋白含量增加。有研究[18]通過快速鑄造技術和粉末燒結技術分別制造了Ti合金半膝關節和多孔陶瓷人工骨，并將其合并成復合脛骨半膝關節支架，其中Ti合金半膝關節主要負責承重，而多孔陶瓷人工骨維持骨組織多孔結構，并且該復合支架植入患者體內后隨訪表明，其具有足夠的機械強度且能與周圍組織良好匹配。
聚合材料之間也可充分互補設計出性能更好的復合支架。有研究者在用3-D打印制造出的聚乳酸支架表面加入仿貽貝黏附的聚多巴胺涂層，制備聚乳酸-聚多巴胺復合支架，并在其內種植人脂肪MSCs，發現聚多巴胺可能促進成骨[19]。
2 3-D細胞或組織打印多孔支架
近年來，通過直接攜帶細胞進行3-D打印的細胞或組織打印技術受到了廣泛關注，它是將幾種類型的細胞和/或生物因子與生物材料同時進行打印。其優勢包括：①可控制細胞在微觀尺度的排列分布，進而調節細胞行為、細胞間的相互作用、細胞與材料間的相互作用，以及促進細胞最終形成功能組織；②相比于在已成型的支架中種植細胞，其可以獲得更高的細胞密度[20]。對該技術而言，最重要的兩個因素就是細胞類型/組織因子和生物材料的選擇。目前，細胞和組織打印技術主要是基于攜帶細胞的水凝膠3-D沉積技術，尤其在軟骨組織工程支架中應用更為廣泛。水凝膠是聚合物分子間互相交聯而成的含水網絡，在膠凝過程[當一些親水性高分子溶液所處的物理化學狀態改變（如加熱或冷卻）或加入電解質時，體系失去穩定性而轉變為凝膠或凍膠的過程]之前將細胞添加至凝膠前體，細胞則可均勻分布至整個凝膠。天然水凝膠如透明質酸、膠原蛋白、纖維素等通常為細胞外基質的構成成分，有著與細胞外基質極其相似的特性，因而其毒性低、生物相容性高。以膠原蛋白和其他哺乳動物源性的蛋白為基礎的聚合物含有許多細胞外基質的細胞信號域，從而能促進信號分子傳遞至細胞內而支持細胞生長，實現功能[21]。但其機械強度較低，通過化學交聯、紫外光交聯或與其他聚合物混合打印等技術，可以增強其機械性能。同時值得注意的是，天然水凝膠如膠原蛋白和透明質酸在體內會被膠原酶和透明質酸酶降解，在某些程度上影響支架性能。將天然水凝膠與其他聚合物混合打印會改善上述不足。
目前，用于混合打印的細胞包括：①骨原細胞與內皮細胞共打印：骨原細胞具有成骨分化能力，內皮細胞有促進血管新生能力；但骨原細胞來源受限，增殖能力相對較低，不適合大量成骨。②成體干細胞：成體干細胞具有多向分化潛能，且增殖能力比骨原細胞強；但如何精確調控其定向成骨分化，并配合血管新生，仍然是該領域尚未解決的重要科學問題。③胚胎干細胞：胚胎干細胞具有在體外培養中無限增殖、自我更新和多向分化的特性，容易誘導成骨；但其瘤變率仍無法避免，同時費用也極昂貴，且存在倫理問題。④誘導多功能干細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）：iPSCs是通過基因轉染技術將某些轉錄基因導入體細胞內，使體細胞直接重構成為胚胎干細胞樣的多潛能細胞，其可能引起感染，且可能產生細胞瘤變；但iPSCs技術不使用胚胎細胞或卵細胞，無倫理學問題，同時制備iPSCs采用的是患者體細胞，無免疫排斥問題，可制備的細胞數量充足[5]。
3 帶藥物的3-D打印支架
該類支架通常是在上述傳統支架基礎上，以其為底料，再經過一些后續處理來添加相應藥物。對于骨關節結核患者，長期抗結核藥物系統治療存在患者耐藥性、依從性差等不足，而外科清創術也不能徹底清除病灶而存在芽孢結核桿菌潛伏甚至引起組織缺損等問題。為此，有研究[22]利用3-D打印制造出分層多孔復合支架（hierarchical macro/mesoporous composite scaffold，MPHS），用硅基材料改良后的磷酸鈣MPHS有良好的多孔結構和微環境以填充高劑量的異煙肼和利福平，因而該支架能發揮長期抗結核藥物輸送系統的功效；并且體內實驗證明攜帶異煙肼和利福平的MPHS能在植入部位長期持續釋放藥物，且藥物濃度維持有效殺菌劑量達84 d，而對肝腎未造成顯著的長期傷害。除了抗結核效果顯著，MPHS也有良好的成骨能力來填補骨缺損。因此，與傳統藥物及外科方法治療骨關節結核以及避免骨置換術后感染比較，在3-D打印植入支架內攜帶相關藥物進行局部骨組織靶向治療可成為一種新思路。
銀離子的抗菌性能是金屬離子中最強的，亦是應用最早、最成熟的無機抗菌劑。因此，有研究[23]通過溶液離子交換法將銀離子載入珊瑚羥基磷灰石中，并將載銀羥基磷灰石抗菌粉末與聚乳酸混合后，通過3-D打印制備出具有特殊形狀的數字化載銀抗菌人工骨支架材料，并以其修復兔脛骨干骺端污染性腔隙性骨缺損，結果表明支架能逐步降解并與骨修復相適應且成骨效果良好，顯示出良好的抗菌性、生物相容性和骨傳導作用，是一種具有良好應用前景的新型抗菌性骨修復替代材料。
4 總結和展望
3-D打印多孔支架是組織工程領域的新突破，其突出優點是能根據計算機圖形數據中的任何形狀通過3-D打印機生成相應的多孔支架，可極大縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本。但受到打印技術水平、打印技術原理本身和材料自身理化性質的限制，目前存在多孔支架分辨率較低、生成的孔徑偏大以及幾何設計高度對稱而難以復雜化、特殊化等缺陷。適合制作骨組織支架的一些金屬和陶瓷材料并不能處理成適合3-D打印的理想顆粒大小，且溫度控制、顆粒的熔合及黏結途徑等亦有待突破。粉末顆粒等離子體處理技術能提高顆粒流動性，使粉層變薄而提高分辨率，可彌補傳統3-D打印的不足。新型打印技術的發明，如通過多光子聚合的激光直寫技術有著100 nm級的高分辨率，并且不需要分層制造再疊加[24]，也為理想骨組織支架的構建帶來希望。
3-D打印技術即固體自由成型制造技術，也被稱為快速成型技術或添加制造技術，近來已成為一種新型技術用于制造可塑性高度精確的支架。它根據計算機輔助設計的數據，以粉末層積為基礎，按照“分層制造、逐層疊加”的原理快速制造任意復雜形狀3-D物體。目前應用較多的3-D打印技術主要包括光固化立體印刷、熔融沉積成型、選擇性激光燒結、三維噴印[1]以及自動注漿成型技術[2]。
由于外傷、腫瘤切除、手術等導致的大塊骨缺損，常需植骨修復。傳統骨移植方法包括自體骨移植和異體骨移植兩種。自體骨移植一般采用患者自身髂骨移植，雖然免疫反應較低，但來源有限，且對供骨區造成了新的創傷，隨之產生一些并發癥；異體骨移植不受大小形狀等限制，但會引起較強的免疫反應，愈合時間也較緩慢，且近年來發現其交叉感染及晚期感染率大大增加，來源亦相對有限[3]。組織工程支架是一種重要的替代治療措施，有望最終解決這個問題。傳統的多孔支架制作技術有顆粒濾除法、熔融成型法、乳液冷凍干燥法、高壓氣體膨脹法、纖維立體交織法、相分離法等；其關鍵性不足是支架孔隙貫通程度不夠、孔隙率與孔分布可控性較差，既影響支架性能，也不利于細胞生長和組織血管化。骨組織工程涉及支架、成骨細胞、骨誘導和促骨生成因子刺激以及合適的生物力學環境等多重因素[4]，對力學強度、孔隙率、孔隙聯通程度具有很高的要求。3-D打印技術可在很大程度上實現支架的孔隙率、孔徑、孔容積、空間排列和其他表面特性的可控性，因此可能實現優良骨組織工程支架的制備。本文現對3-D打印技術制作的不同材料多孔支架研究進展綜述如下。
1 3-D打印多孔支架的傳統分類
1.1 金屬支架
金屬因其高強度、高負重能力、形狀記憶、惰性、超彈性等優點應用于骨組織工程，常見的金屬支架有不銹鋼、鎳、鈷合金、鈦（Ti）合金等。但金屬一般熔點較高，支架打印常需在高溫條件下進行；且支架打印時不能同步涂層生物活性分子或細胞混合打印[5]。Ti合金是目前應用最廣泛的生物打印材料，然而其彈性模量約為皮質骨的6倍，可產生應力屏蔽效應（隨時間推移，骨由于機械張力下降而萎縮且植入部位骨折）。El-Hajje等[6]以聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）為黏結劑，通過3-D打印制造多孔Ti支架，孔徑為20～24 μm，孔隙率為32.2%～53.4%，該孔隙率能促進細胞黏附進而降低其彈性模量。而其機械強度和物理特性受燒結溫度和黏結劑成分這兩種因素影響，同時該研究表明5%PVA和1 370℃條件下制造出的多孔Ti支架性能最佳：其拉伸模量、壓縮模量、羅氏強度皆接近于松質骨，抗斷強度、斷裂韌性皆高于骨組織。IVB和VB族金屬元素如鉭（Ta）、鋯（Zr）和鈮（Nb）等因耐磨性和生物相容性好，成為金屬生物材料研究的新對象。但是Ta和Nb價格很昂貴，且其強氧化性和高熔點使加工成本和難度很高，極大限制了以純Ta或純Nb作為移植物材料。為此，有研究者嘗試利用選擇性激光熔融技術將Nb制備成具有特定形狀和一定孔隙率的多孔涂層黏結在純Ti基體上，對樣品進一步體外研究表明，多孔Nb涂層在促進細胞黏附、形態學生長方面明顯優于Ti基體[7]。但對于其在臨床上的體內生物適應性仍需進一步研究[7]，而且對于這種優勢主要取決于Nb本身性質還是其多孔結構有待進一步分析。鑒于此，利用3-D打印技術將比較昂貴但性能優異的金屬材料制作成一定形狀甚至是網絡狀的涂層黏結在傳統金屬材料（如不銹鋼、鈷-鉻合金等）上，可大大節約原材料成本，增強支架性能。比利時Hasselt大學BIOMED研究所[8]基于三維圖像數據，利用熔融沉積技術將純Ti超細粉末制成人工下頜骨，成功實施了世界首例3-D打印人工下頜骨置換術，但此“量身定制”的多孔Ti支架的成骨能力及遠期效果仍待進一步觀察。
1.2 陶瓷支架
制備骨組織支架常用的陶瓷材料有氧化鋁、氧化鈷、氧化鈦、磷酸鈣、磷酸二正硅酸鈣、雙相磷酸鈣、硅酸鈣、β-磷酸三鈣、多孔羥基磷灰石等。生物陶瓷具有抗壓能力強、生物相容性好、耐腐蝕性、骨誘導能力強等優點，部分抗壓強度可達到松質骨生物力學要求。不足是脆性高、承重力低、韌性差、剪切應力弱等，并且陶瓷支架同樣需要在高溫下進行打印，打印時不能對支架同步涂層促進骨形成的生物活性分子或抗感染藥物[5]。陶瓷支架的制作方法有兩種，一種是以聚合物為黏結劑，也被稱為復合材料；另一種是利用液壓水泥原理，黏結劑溶解粉末顆粒并且新晶體彼此間交錯形成堅硬的陶瓷網絡。利用3-D噴印打印機制作納米β-磷酸三鈣支架時，材料不能水化凝固，而且和水混合后有小晶粒出現，因而以水為黏結劑難以打印出理想支架。用一定濃度檸檬酸調配，在一定溫度下保持一段時間，β-磷酸三鈣會變成內部性狀均勻的口香糖狀噴涂態，還具有自行凝固能力[9]。因而用酸作為黏結劑為陶瓷支架的3-D噴印奠定了基礎。有研究[10]利用3-D打印技術和自動旋涂技術制備了含多孔生物玻璃納米層的β-磷酸三鈣支架，與單純的β-磷酸三鈣和非多孔的含生物玻璃納米層的β-磷酸三鈣支架比較，其機械強度、對細胞組織因子的黏附力以及成骨能力大大增加。這意味著對于3-D打印生物陶瓷支架而言，要提高其理化性質和結構功能，以及促進其成骨、血管化和相關蛋白的表達能力，多孔生物玻璃納米層的應用可成為一種新方向。
1.3 聚合材料
聚合材料因其可塑性、易處理、促進細胞成骨分化、細胞黏附、可控降解等特點，在骨組織支架中研究也比較廣泛。聚合材料可分為天然聚合物和人工聚合物。天然聚合物如多糖，大多從植物（淀粉、葡萄糖、纖維素等）和動物（透明質酸鈉、膠原蛋白等）中提取，也有部分可通過化學或生物技術合成，例如利用微生物生產透明質酸鈉。由于其具有強大的親水性，一般選用水基或不含溶劑的黏結劑。因此，天然聚合物的各種粉末均可以進行3-D打印。人工聚合物可按需定制，因此其化學和機械性能常可優化，但其多難溶于水，需要有機溶劑（如氯仿）作為黏結劑，這些有毒的溶劑在快速揮發同時會溶解一些聚合物顆粒。雖然可以利用氯仿萃取技術來減少氯仿含量，但仍殘留有毒溶劑。因此，溶劑是該材料進行生物工程應用的最大限制。以聚丙烯酰胺為例，它是一種可注射的、生物可降解的聚合物，由于其具有原位交聯特性，常被用于組織工程中制作特定支架。利用3-D打印技術制作出的聚丙烯酰胺支架與其計算機輔助設計模型比較，發現按某些預設計孔徑（600、900 μm）制作出的支架在孔隙大小和孔隙率上和模型有著高匹配率，但300 μm孔徑會導致孔隙率下降甚至孔閉塞[11]。通過局部氧化后的PVA支架具有高降解性，且降解程度隨氧化程度增加而增加，更重要的是，其蛋白釋放能力明顯增加[12]。所以，聚合材料受環境影響較大，其聚合鏈性質會隨環境變化而改變，而晶體性質又會影響其機械性能；同時聚合材料降解產生酸性產物，降低局部pH值，會引起炎性反應；局部環境pH值降低可加速聚合材料酯鍵水解，促進聚合材料降解，影響支架生物力學作用[5]。
1.4 復合材料
聚合材料或金屬與陶瓷混合制成的復合材料支架已成為組織工程支架研究的新突破。陶瓷支架與聚合材料支架的結合，如同骨組織中膠原與鈣鹽的有機結合，更接近真實的骨基質環境，被許多學者用于3-D骨組織打印研究。為增強無機陶瓷粉末制造的支架強度，常需要與酸性黏結劑（如檸檬酸和磷酸）反應來增加強度；由于機體可代謝清除酸，黏結劑殘留并不是嚴重問題。但有學者認為一些后續的硬化處理或燒結過程，有時會導致磷酸氫鈣分解和焦磷酸形成[2]；并且，酸性黏結劑會降低熱噴墨打印頭的壽命而限制大規模打印[13]。有研究者為克服以上弊端，考慮采用非酸性黏結劑來進行改進，從而減少無機陶瓷材料對酸性黏結劑的使用依賴[14]：在傳統的純磷酸鈣粉末中添加硫酸鈣粉末，這種新添加的粉末有著良好的生物相容性及生物降解性，且能與水反應形成固相而提高強度，以水作為黏結劑，結果表明其在高溫3-D打印制造過程中有著理想的印刷適應性。也有研究顯示將羥基磷灰石與硫酸鈣混合粉末作為骨替換材料，耐壓強度顯著增強[14]。還有研究者[15]將膠原溶解于磷酸黏合劑溶液來制造膠原磷酸鈣復合體，通過生理熱處理和乳化劑-80來減少黏結劑的黏度和表面張力，使得膠原溶液的熱噴墨印刷更加可靠。結果表明，補充含有1～2 wt%膠原的細胞黏合劑溶液，能夠增強樣品支架的機械強度和細胞活力。選用水溶性聚合物作為黏結劑，通常可在燒結過程中經熱解去除[2]，但剩余的殘渣可能對支架的生物相容性有所影響。
陶瓷除能與聚合材料混合打印，也能與金屬粉末混合制作復合支架。微量元素鍶（Sr）在骨骼系統約占鈣含量的0.035%，當其摻入陶瓷類人工骨移植物時能促進骨再生[16]。Tarafder等[17]利用微波燒結技術在磷酸三鈣中摻雜氧化鍶-氧化鎂粉末制作復合支架，結果表明該支架孔徑變小，且與純磷酸三鈣支架相比，其類骨質生成增加，礦化作用加速；通過將該支架植入大鼠骨缺損模型中發現，骨早期愈合中大鼠血清內的骨鈣素和Ⅰ型膠原蛋白含量增加。有研究[18]通過快速鑄造技術和粉末燒結技術分別制造了Ti合金半膝關節和多孔陶瓷人工骨，并將其合并成復合脛骨半膝關節支架，其中Ti合金半膝關節主要負責承重，而多孔陶瓷人工骨維持骨組織多孔結構，并且該復合支架植入患者體內后隨訪表明，其具有足夠的機械強度且能與周圍組織良好匹配。
聚合材料之間也可充分互補設計出性能更好的復合支架。有研究者在用3-D打印制造出的聚乳酸支架表面加入仿貽貝黏附的聚多巴胺涂層，制備聚乳酸-聚多巴胺復合支架，并在其內種植人脂肪MSCs，發現聚多巴胺可能促進成骨[19]。
2 3-D細胞或組織打印多孔支架
近年來，通過直接攜帶細胞進行3-D打印的細胞或組織打印技術受到了廣泛關注，它是將幾種類型的細胞和/或生物因子與生物材料同時進行打印。其優勢包括：①可控制細胞在微觀尺度的排列分布，進而調節細胞行為、細胞間的相互作用、細胞與材料間的相互作用，以及促進細胞最終形成功能組織；②相比于在已成型的支架中種植細胞，其可以獲得更高的細胞密度[20]。對該技術而言，最重要的兩個因素就是細胞類型/組織因子和生物材料的選擇。目前，細胞和組織打印技術主要是基于攜帶細胞的水凝膠3-D沉積技術，尤其在軟骨組織工程支架中應用更為廣泛。水凝膠是聚合物分子間互相交聯而成的含水網絡，在膠凝過程[當一些親水性高分子溶液所處的物理化學狀態改變（如加熱或冷卻）或加入電解質時，體系失去穩定性而轉變為凝膠或凍膠的過程]之前將細胞添加至凝膠前體，細胞則可均勻分布至整個凝膠。天然水凝膠如透明質酸、膠原蛋白、纖維素等通常為細胞外基質的構成成分，有著與細胞外基質極其相似的特性，因而其毒性低、生物相容性高。以膠原蛋白和其他哺乳動物源性的蛋白為基礎的聚合物含有許多細胞外基質的細胞信號域，從而能促進信號分子傳遞至細胞內而支持細胞生長，實現功能[21]。但其機械強度較低，通過化學交聯、紫外光交聯或與其他聚合物混合打印等技術，可以增強其機械性能。同時值得注意的是，天然水凝膠如膠原蛋白和透明質酸在體內會被膠原酶和透明質酸酶降解，在某些程度上影響支架性能。將天然水凝膠與其他聚合物混合打印會改善上述不足。
目前，用于混合打印的細胞包括：①骨原細胞與內皮細胞共打印：骨原細胞具有成骨分化能力，內皮細胞有促進血管新生能力；但骨原細胞來源受限，增殖能力相對較低，不適合大量成骨。②成體干細胞：成體干細胞具有多向分化潛能，且增殖能力比骨原細胞強；但如何精確調控其定向成骨分化，并配合血管新生，仍然是該領域尚未解決的重要科學問題。③胚胎干細胞：胚胎干細胞具有在體外培養中無限增殖、自我更新和多向分化的特性，容易誘導成骨；但其瘤變率仍無法避免，同時費用也極昂貴，且存在倫理問題。④誘導多功能干細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）：iPSCs是通過基因轉染技術將某些轉錄基因導入體細胞內，使體細胞直接重構成為胚胎干細胞樣的多潛能細胞，其可能引起感染，且可能產生細胞瘤變；但iPSCs技術不使用胚胎細胞或卵細胞，無倫理學問題，同時制備iPSCs采用的是患者體細胞，無免疫排斥問題，可制備的細胞數量充足[5]。
3 帶藥物的3-D打印支架
該類支架通常是在上述傳統支架基礎上，以其為底料，再經過一些后續處理來添加相應藥物。對于骨關節結核患者，長期抗結核藥物系統治療存在患者耐藥性、依從性差等不足，而外科清創術也不能徹底清除病灶而存在芽孢結核桿菌潛伏甚至引起組織缺損等問題。為此，有研究[22]利用3-D打印制造出分層多孔復合支架（hierarchical macro/mesoporous composite scaffold，MPHS），用硅基材料改良后的磷酸鈣MPHS有良好的多孔結構和微環境以填充高劑量的異煙肼和利福平，因而該支架能發揮長期抗結核藥物輸送系統的功效；并且體內實驗證明攜帶異煙肼和利福平的MPHS能在植入部位長期持續釋放藥物，且藥物濃度維持有效殺菌劑量達84 d，而對肝腎未造成顯著的長期傷害。除了抗結核效果顯著，MPHS也有良好的成骨能力來填補骨缺損。因此，與傳統藥物及外科方法治療骨關節結核以及避免骨置換術后感染比較，在3-D打印植入支架內攜帶相關藥物進行局部骨組織靶向治療可成為一種新思路。
銀離子的抗菌性能是金屬離子中最強的，亦是應用最早、最成熟的無機抗菌劑。因此，有研究[23]通過溶液離子交換法將銀離子載入珊瑚羥基磷灰石中，并將載銀羥基磷灰石抗菌粉末與聚乳酸混合后，通過3-D打印制備出具有特殊形狀的數字化載銀抗菌人工骨支架材料，并以其修復兔脛骨干骺端污染性腔隙性骨缺損，結果表明支架能逐步降解并與骨修復相適應且成骨效果良好，顯示出良好的抗菌性、生物相容性和骨傳導作用，是一種具有良好應用前景的新型抗菌性骨修復替代材料。
4 總結和展望
3-D打印多孔支架是組織工程領域的新突破，其突出優點是能根據計算機圖形數據中的任何形狀通過3-D打印機生成相應的多孔支架，可極大縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本。但受到打印技術水平、打印技術原理本身和材料自身理化性質的限制，目前存在多孔支架分辨率較低、生成的孔徑偏大以及幾何設計高度對稱而難以復雜化、特殊化等缺陷。適合制作骨組織支架的一些金屬和陶瓷材料并不能處理成適合3-D打印的理想顆粒大小，且溫度控制、顆粒的熔合及黏結途徑等亦有待突破。粉末顆粒等離子體處理技術能提高顆粒流動性，使粉層變薄而提高分辨率，可彌補傳統3-D打印的不足。新型打印技術的發明，如通過多光子聚合的激光直寫技術有著100 nm級的高分辨率，并且不需要分層制造再疊加[24]，也為理想骨組織支架的構建帶來希望。