3D打印用于骨缺损治疗的研究进展

来源：上海贝奥路

骨缺损是临床上常见的一类疾病，具有手术难度大、治疗周期长、并发症多等特点，如何快速有效促进骨缺损修复是临床医师面临的巨大难题。对于骨缺损，目前的治疗手段主要以手术治疗为主，包括牵引成骨、骨移植技术等。近年来，3D打印在医疗领域应用越来越广泛。本文对3D打印在骨缺损治疗方面的应用进行综述，并对具有研究前景的3D打印组织工程支架做重点介绍。

3D打印在骨缺损修复手术前的应用随着材料工程和医学影像技术的不断发展，通过计算机辅助设计进行三维重建，根据个性化模拟制造出大小、形态完全一致的实体三维模型，应用骨缺损修复中的术前诊断和手术模型，直接或间接地提高了手术精准度。

3D打印骨植入材料修复骨缺损

临床常用骨植入物
自体骨移植：自体骨移植是骨缺损修复的“金标准”，因为它拥有所需的所有特性，同时保留了完全的组织相容性。由于生长因子的存在，它具有成骨性和骨诱导性，明显的组织相容性，可以提供结构上的支持，并含有活的成骨细胞，且不会传播疾病。使用自体骨移植的缺点是其供应量有限，且大量使用自体骨移植容易发生骨质吸收。采集自体骨会增加时间和失血量，并且可能需要全身麻醉，从而增加了手术的难度。供体部位可能发生包括感染、长时间的伤口引流、再次手术、持续6个月以上的疼痛和感觉丧失等并发症。

异体骨移植：异体骨来源丰富，形态大小不受限制，现较为广泛的用于临床。但异体骨组织相容性低，存在排异反应，并且完全依赖宿主细胞侵入成骨，而大块异体骨深部再血管化非常缓慢，往往成为死骨，还有较高的再骨折发生率，已证实在长期使用中有大量的失败记录。

3D打印个性化定制体内假体植入物
骨缺损的重建方式包括异体骨植骨、自体骨植骨、假体修复等，其中假体修复具有外形美观、能够实现早期活动、稳定性好、功能恢复好等优点。

3D 打印在大段骨缺损修复中的应用
大段骨缺损是由先天性缺陷、外伤、感染和骨肿瘤造成的，在康复期会导致延迟结合或不结合。在大段骨缺损的治疗中，3D打印发挥着越来越重要的作用。多例病患临床资料表明3D打印假体在重建骨肿瘤切除导致的大段骨缺损中是可行的，术后功能良好，且并发症少；3D打印假体植入可实现骨骼解剖重建与生物力学稳定重建，采取有效的干预措施可减少患者术后并发症的发生；原位3D打印机器人可以快速、准确地进行人工骨组织工程植入，且术后恢复效果好，在临床应用方面有很大前景。

3D打印多孔支架
骨组织工程学是一门利用支架植入细胞或加入生物活性生长因子促进骨修复和再生的学科，其主要研究内容包括支架材料、种子细胞、成骨因子等多个方面。骨组织工程支架除了满足机械、结构上的要求，还必须满足生物学所需的特性。为了克服这些限制，金属材料、聚合物材料或生物活性陶瓷材料可以组合在一起构建出复合材料，这些复合材料可以满足各种要求的支架，包括生物相容性、生物降解性、骨导电性、机械强度等。

金属支架
金属因其良好的生物相容性、较强的耐疲劳性及优异的力学性能而被广泛应用于骨组织工程，目前常见的金属支架材料包括钛及其合金、钴、镍合金等。在所有金属材料中，钛及其合金是目前应用最广泛的金属支架材料。因其良好的生物相容性、可靠的机械性能和耐腐蚀性被广泛用来制造骨科内植物支架。同样具有生物可降解性的金属还有镁。研究表明，与其他金属植入物相比，镁合金具有较高的机械强度和弹性模量等物理性能，更接近天然人骨，并且还有优秀的促成骨能力。

生物陶瓷支架
生物陶瓷材料含有金属和非金属成分，它具有良好的生物相容性、适当的生物降解性和内在的骨诱导能力，并且其化学性质与骨相似，具有较高的抗压强度和较低的延展性，而被广泛用于3D打印。常用的生物陶瓷材料包括羟基磷灰石、β-TCP、硅酸钙、双相磷酸钙、磷酸镁、氧化铝、氧化锆等。磷酸钙是天然骨组织的主要成分，已被证明能刺激干细胞和骨祖细胞的成骨。磷酸钙衍生物释放的磷酸盐离子在诱导干细胞成骨分化中起关键作用。β-TCP 是常见的磷酸钙材料，因其良好的生物降解性常被用于骨再生。

聚合材料支架
聚合物已被广泛用作制造组织工程支架的生物材料，其可以是天然的，也可以是合成的。天然聚合物，如纤维蛋白、透明质酸、壳聚糖和胶原蛋白，表现出与人体的小分子成分相似的结构，具有较高的生物相容性、优异的生物降解性、骨传导性和低免疫原性。与天然聚合材料相比，合成聚合材料具有更好的机械强度、更高的可加工性和可控的降解速率，并且降解产物的毒性低，可以实现完全代谢，这些合成聚合材料包括聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚乙二醇、PLGA等，并且可以利用这些可控的性质针对特定需求及应用制作定制化支架。

复合支架
复合材料由两种或两种以上具有不同性能的材料组合而成，每种材料只显示一些优点和特定的缺点。这种组合可以是共聚物、聚合物-聚合物共混物或聚合物-陶瓷复合材料的形式。因为人体骨是由无机HA 晶体和有机胶原纤维混合制成的复合材料，所以在众多复合支架中，聚合物-陶瓷复合材料在仿生方面更具优势。将由PCL和β-TCP 组成的3D打印复合支架植入兔股骨头的裂隙中，与对照组相比，复合支架具有更高的促进新骨向内生长能力，这种3D打印的β-TCP/PCL 支架可能是一种用于治疗早期股骨头坏死的很有前景的可吸收植入物。

总结与展望
在骨缺损修复领域中，3D打印技术应用广泛，主要包括术前规划、模拟手术，从而降低手术难度、缩短手术时间、减少手术创伤、促进术后恢复。3D打印的内植物或假体可以解决部分异体骨或自体骨难以解决的大块、复杂型骨缺损的修复问题。3D打印技术制备组织工程支架是一个正在快速发展的研究领域。随着未来新技术和生物材料的出现，同时微结构得到优化，最终这些3D打印的组织工程支架可能是让骨缺损患者有机会改善生活质量的关键。

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