本文登於(yu) 《3D打印商情》報第五期

    在人體(ti) 組織與(yu) 器官中，關(guan) 節是運動與(yu) 承載功能實現的物質基礎。關(guan) 節是典型的軟骨/骨結合結構，軟骨與(yu) 骨的良好結合保證著關(guan) 節的穩定性和人體(ti) 的運動能力。但是創傷(shang) 或關(guan) 節炎等疾病破壞了軟骨與(yu) 骨的結合，形成骨軟骨缺損。

    盡管關(guan) 節鏡灌洗術、關(guan) 節磨削成形術、鑽孔及微骨折等方法能夠短暫地直接修複小麵積軟骨病變，但無法修複關(guan) 節原有正常的組織結構。隨著病情逐漸惡化，病變部位的軟骨麵積越來越大，並向軟骨下骨擴張，形成深層、大麵積軟骨病變和缺損，導致越來越嚴(yan) 重的關(guan) 節運動困難、疼痛。

    由於(yu) 關(guan) 節上存在的軟骨和骨是兩(liang) 種截然不同的組織，即骨是無機質含量高、強度高，呈現為(wei) 明顯的硬材料特征，再生能力強；而軟骨呈現是含水量大的軟材料特性，再生能力極差。因此，從(cong) 仿生學和組織工程學的角度，製造在功能和結構上區分成骨區和軟骨區的軟骨/骨關(guan) 節體(ti) ，即用再生能力高的成骨區來固定植入物於(yu) 缺損區，用含水量高的軟骨區提供和維持軟骨組織生長，阻止骨組織和血管長入，就有希望用於(yu) 大麵積軟骨缺損部位的填補和修複。然而，成骨區和軟骨區材料特性的極大差異導致了兩(liang) 區嚴(yan) 重的分離脫層現象。

    以光固化原型(Stereolithography, SL) 、熔融沉積(Fused Deposition Molding, FDM) 、三維噴墨打印(Three-dimensional Printing, 3DP)等為(wei) 代表的累加成型微/宏複雜結構零件的增材製造技術(Additive Manufacturing, AM，又稱3D打印)，可將生物材料和活性物質等逐點、逐層地打印與(yu) 疊加成形為(wei) 與(yu) 人體(ti) 組織極為(wei) 接近的形狀，為(wei) 複雜的定製化軟、硬組織的製備提供了新的製造手段，也因此成為(wei) 醫療領域的重要研究內(nei) 容。

    以液態光敏材料為(wei) 成型原料，經過逐層光掃描固化後成型零件的光固化原型技術，具有結構精度高、成型材料廣泛等優(you) 點。西安交通大學機械製造係統工程國家重點實驗室自1993年開展光固化原型技術的研究，1997年研製出國內(nei) 第一台激光光固化快速成型機，形成了包括樹脂、金屬、陶瓷、水凝膠等光固化原型技術。為(wei) 了解決(jue) 軟骨/骨關(guan) 節體(ti) 的成骨區和軟骨區分離脫層問題，實驗室提出模仿關(guan) 節上軟骨與(yu) 骨結合界麵的組織結構，設計軟、硬材料穩定聯接的界麵結構，開展以陶瓷（硬材料）和水凝膠（軟材料）為(wei) 主的軟骨/骨關(guan) 節體(ti) 多材料3D打印技術研究。

    利用連續組織學染色切片和實驗室開發的關(guan) 節骨軟骨界麵無創剝離技術獲得的軟骨與(yu) 骨界麵分離的電鏡數據（圖1），結合計算機醫學掃描圖像數據（MicroCT）和反求工程技術，構建起關(guan) 節軟骨與(yu) 骨界麵顯微三維結構模型，定量化給出關(guan) 節軟骨、骨及其界麵多層次典型結構特征、統計學規律與(yu) 參數化模型。研究發現關(guan) 節上軟骨與(yu) 骨的聯接是通過包括軟骨、軟骨下骨板以及關(guan) 節麵附近的鬆質骨等多個(ge) 層次複合結構。特別是軟骨層和軟骨下骨板層的上表麵分布著很多圓孔結構，孔徑平均值分別為(wei) 17.04μm，34.08μm，且其孔隙主要以三邊形、四邊形等方式排布。通過多孔板狀結構軟骨下骨（圖2），軟骨以鉚合、嵌鎖、管道連接、分子連接等方式連接於(yu) 骨麵。因此，我們(men) 提出軟骨層和軟骨下骨板層上的孔結構可能是營養(yang) 供給的通道的假設。而目前臨(lin) 床上對關(guan) 節軟骨的修複治療一直都未取得突破性的進展，尤其對關(guan) 節軟骨修複後的退變缺乏有效的手段，這可能是由於(yu) 對軟骨下骨在軟骨修複中的重要作用未予以足夠重視，忽視了在非正常力學狀態下修複關(guan) 節軟骨表型難以保持長期的穩定性，進而影響了關(guan) 節軟骨的長期修複效果。

  (a)  

 (b)     

   圖1關(guan) 節上軟骨/骨聯合縱切的組織學染色切片(a)及軟骨下骨掃描電鏡圖(b)

 圖 2  骨軟骨界麵區域三維重建實體(ti) 圖

    實驗室以生物陶瓷和水凝膠光固化3D打印成型技術（圖3）為(wei) 基礎，模仿關(guan) 節軟骨與(yu) 骨的層次結構，以結構嵌入的方法將軟、硬不同的兩(liang) 種材料複合成型製造骨軟骨支架。即首先以光固化3D打印成型具有多層次圓形孔隙的陶瓷骨體(ti) 支架，然後以骨體(ti) 支架為(wei) 基底，在陶瓷支架表麵以凍幹成型或光固化3D打印成型水凝膠軟骨層後獲得軟骨/骨關(guan) 節體(ti) （圖4）。

(a )                                         (b)

圖3 光固化3D打印陶瓷骨(a)和水凝膠軟骨(b)

                 (a)                             (b)                                (c)

圖4 光固化3D打印陶瓷骨(a)和軟骨/骨關(guan) 節體(ti) (b, c)

    另一方麵，為(wei) 了解決(jue) 大塊骨軟骨缺損修複中軟骨/骨關(guan) 節體(ti) 的穩定固定，避免因陶瓷骨體(ti) 脆性大或多孔陶瓷強度不足而碎裂，采用高聚物PLA增強多孔陶瓷骨體(ti) 來提高強度。這種軟骨/骨關(guan) 節體(ti) （圖5）的製造方法包括兩(liang) 部分：首先光固化成型更為(wei) 複雜的雙係統管道多孔陶瓷骨體(ti) ，然後浸入熔融的PLA使得PLA均勻灌注於(yu) 多孔陶瓷的部分孔道，待冷卻後得到多孔陶瓷/PLA複合材料骨體(ti) 。再以骨支架為(wei) 基體(ti) ，利用光固化直接成形製造水凝膠軟骨體(ti) 。

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    圖5  PEG/PLA/β-TCP複合材料軟骨/骨關(guan) 節體(ti)  

    以聚乙二醇水凝膠和磷酸鈣陶瓷構建的軟骨/骨關(guan) 節體(ti) 修複兔膝關(guan) 節大尺寸骨軟骨缺損修複實驗發現（圖6），修複16周（E16）、24周（E24）和52周（E52），隨著時間的推進新生的軟骨組織得到明顯改善。而作為(wei) 對照的假手術組（S24）和空白對照組（C24）至24周時未見明顯成軟骨細胞出現。實驗證明軟骨下骨骨微參數與(yu) 軟骨修複存在明確的相關(guan) 關(guan) 係，完整的軟骨下骨重建對軟骨修複具有重要意義(yi) 。

圖6 新生軟骨組織外觀(A)及沙番O/快綠組織染色(B)，其中

    以膠原水凝膠和磷酸鈣陶瓷構建的軟骨/骨關(guan) 節體(ti) 的軟硬材料的界麵結合力達到11.8±1.6N，能夠有效解決(jue) 傳(chuan) 統軟骨支架抗剪切性能差，容易脫層的問題。6個(ge) 月的犬動物實驗（圖7）已證明，對比膠原或陶瓷材料，這種由軟、硬材料複合製造的關(guan) 節體(ti) 可有效的修複犬關(guan) 節大麵積骨軟骨缺損。新生組織從(cong) 大體(ti) 標本、影像學以及組織學評價(jia) 等方麵均與(yu) 關(guan) 節軟骨高度相似。並在軟、硬材料界麵處新生出類似於(yu) 自然骨-軟骨結構的軟骨和軟骨下骨結構;新生軟骨與(yu) 周圍組織結構的結合力達到 55N，接近於(yu) 自然軟骨的 65.3N。

         (a)                                    (b)                            (c)

圖7 動物實驗：3D打印軟骨/骨關(guan) 節體(ti) (a)、3D打印陶瓷體(ti) (b)和膠原體(ti) (c)對軟骨缺損修複的療效

    總之，3D打印軟骨/骨關(guan) 節體(ti) 具有微結構和材料的雙重仿生，有助於(yu) 生成接近於(yu) 自然狀態的骨軟骨修複組織，可以為(wei) 新生軟骨組織提供類似於(yu) 自然的應力刺激與(yu) 營養(yang) 供應，促進新生軟骨的功能化。

    隨著越來越多的生物光敏材料的開發，特別是光敏高強度水凝膠的出現，借助於(yu) 3D打印複雜內(nei) 外結構的優(you) 勢，不僅(jin) 將為(wei) 更多的功能化人造組織提供多材料、多變結構的製造技術，還將滿足對關(guan) 節運動的大衝(chong) 擊和摩擦學要求，為(wei) 細胞提供更為(wei) 理想的三維空間生存環境的活性人造器官。

    作者簡介：

    連芩，西安交通大學機械工程學院副教授，博士生導師。2006年西安交通大學獲得博士學位；2008年獲得首屆中國博士後科學基金特別資助；2010年獲得國家留學基金委資助於(yu) 英國利茲(zi) 大學訪學進修，並獲得英中國際合作項目資助進行人造組織仿生製造技術研究；2011年獲得教育部科技發明一等獎1項。主要研究增材製造工藝與(yu) 裝備，開展增材製造和生物製造交叉研究工作。麵向人類對健康生活的需求，以醫用金屬、陶瓷和水凝膠等為(wei) 主要材料，通過基礎工藝創新，開發新型醫用材料增材製造技術與(yu) 裝備。