陈艺菲，郑赛男，阙林

1 四川大学华西口腔医学院，成都 610041；2 成都大学基础医学院；3 四川大学华西口腔医院头颈肿瘤外科

颌面创伤、颌面肿瘤切除术及颌面肿瘤放化疗往往会造成颌面部不同程度骨缺损，严重影响患者言语和咀嚼功能、颜面美观以及心理健康［1］。因此，颌面骨缺损修复重建对提高患者生活质量具有重要意义。3D 打印技术通过计算机辅助设计，利用生物材料与细胞、生物活性因子结合打印缺损组织，能够快速、精确地复制和重建缺损组织或器官［2］，在再生医学领域中具有广阔的应用前景。随着生物医学工程不断发展，3D 打印技术逐渐被用于骨组织修复重建中，并成为一种新的颌面骨缺损修复重建方法。在3D 打印骨组织工程支架中，打印耗材尤为重要，利用单一材料打印的骨组织工程支架在性能上往往存在局限性，而由多种材料组成的复合材料能够充分发挥材料间的互补作用，逐渐成为骨组织工程支架的首选打印耗材［3］。本文结合文献就3D 打印复合材料骨组织工程支架及其在颌面骨再生中的研究进展作一综述。

1 3D打印复合材料骨组织工程支架概述

骨组织工程是以成骨细胞、骨髓基质干细胞或软骨细胞等为种子细胞，经体外培养扩增后，种植于具有良好生物相容性、生物可降解性的骨组织工程支架上，骨组织工程支架承担细胞外基质作用，从而为骨再生提供良好的环境［4］。理想的骨组织工程支架应具备以下特征［4］：①有利于种子细胞附着、生长和分化，具有良好的生物相容性，并且不会对周围组织产生有害影响；②有利于血管重建，能够通过骨传导、骨诱导与宿主骨整合，可修复不规则形状缺损并承受机械载荷，并且具有生物降解潜力，能够逐渐被新生骨所取代；③可储存和消毒。随着科学技术不断进步，3D 打印逐步用于骨组织工程支架制作，不仅简化了骨组织工程支架的设计流程，还提高了骨组织工程支架的制造效率和精确度。然而，可用于3D 打印的单一材料很难制备出理想的骨组织工程支架。如羟基磷灰石（HA）、磷酸三钙（TCP）、磷酸镁（MgP）、生物玻璃（BG）等生物陶瓷材料，虽然生物相容性较好，但脆性较大，力学性能较差［5］；聚乙烯醇、聚乙二醇等人工合成聚合材料及金属氧化物、合金等金属材料，虽然具有良好的机械性能和可打印性能，但其生物相容性相对较差［6-7］。由两种及以上材料组成的复合材料，如不同种类生物陶瓷、不同种类聚合材料、金属与生物陶瓷、聚合材料与生物陶瓷等，综合了各种材料的优点，取长补短，解决了单一材料的性能局限，用于3D打印有利于细胞定植和血管生长，并且具有良好的生物力学性能，能更大程度地满足骨组织工程支架需求。

2 3D打印复合材料骨组织工程支架类型

2.1 3D打印不同种类生物陶瓷骨组织工程支架 生物陶瓷具有良好的骨传导能力，是构建骨组织工程支架最常用的材料之一，不同生物陶瓷组成的复合材料能够协同促进骨再生。LI 等［8］将纳米HA（nHA）或脱蛋白牛骨与胶原蛋白混合，制备了两种用于3D 打印的生物墨水，这两种HA 复合材料能够促进人骨髓基质细胞增殖和分化，是很有前途的3D打印骨组织工程支架的候选材料。含HA 和TCP 不同比例的双相磷酸钙（BCP）具有出色的骨重塑能力。有研究通过碳酸钙、TCP 与磷酸反应生成了一种复杂形状的BCP 支架，该支架的尺寸精度达到96.5%，最小宏观孔径为300 μm［9］。体外研究表明，与纯TCP支架比较，BCP支架均具有细胞相容性，能够增强细胞活力和增殖能力［9］。由多种生物陶瓷组成的骨组织工程支架除了能协同增强骨再生能力外，在机械性能上也有所突破。AN等［10］在研究二氧化锆-HA 复合材料时发现，当材料中二氧化锆的质量百分比从50%增加到100%时，该复合材料支架的抗压强度从2.5 MPa 增加至13.8 MPa，或能成为3D打印骨组织工程支架材料。

2.2 3D打印不同种类聚合材料骨组织工程支架 聚合材料能够提供合适的孔径和孔隙率及机械性能的骨组织工程支架，但基于人工合成聚合材料的生物活性较低［6］，结合天然和合成聚合材料则具备良好的生物相容性，相对更适合骨组织工程支架构建。MORRIS 等［11］利用天然材料壳聚糖和人工合成聚乙二醇双丙烯酸酯制备了一种生物相容性树脂，其制备的骨组织工程支架孔隙相互连接，均质，标称孔径为50 μm，弹性模量为400 kPa；这种生物相容性树脂的可印刷性通过打印一个耳朵的阈值MR 图像得到证实，能够提供最真实的形状再现，可用于各种复杂组织结构再塑。张彬等［12］利用冷冻干燥和理化交联技术制备复合脱细胞软骨细胞外基质（DACECM）定向支架，然后将DACECM 浆料与PLGA 复合制备PLGA/DACECM 取向支架；结果发现，PLGA 支架表面光滑，孔洞大；DACECM 定向支架表面粗糙，为孔隙疏松、相互连接的三维结构；PLGA/DACECM 取向支架表面粗糙，大孔和小孔相互连接，构成一个垂直的三维结构，相较于两种单一材料支架更有利于细胞生长定植和成骨分化。PLGA/DACECM 取向支架无细胞毒性，能够保障细胞存活率，具有良好的理化性能和生物相容性，有望成为一种非常有前途的骨组织工程支架材料。

2.3 3D 打印金属与生物陶瓷复合材料骨组织工程支架 生物陶瓷虽然具有良好的生物相容性，但单一组分的生物陶瓷脆性较高［5］，通过掺杂强度较高的金属则能在一定程度上提高支架承受载荷的能力［7］。TARAFDER 等［13］在TCP支架中加入了氧化锶和氧化镁进行3D打印和微波烧结，构建了具有多尺度孔隙和良好压缩强度的复合支架，在加速成骨过程同时能够维持其机械性能。除了能提高骨组织的抗压能力外，一些金属与生物陶瓷组成的复合材料还能在促进成骨同时发挥其他有益的生物学效应。DANG 等［14］将3D 打印技术与溶热法结合制备了CuFeSe2纳米晶体功能化支架，并且赋予了BG 支架优异的光热性能。BG-CuFeSe2支架不仅可促进兔骨髓基质细胞成骨基因表达，刺激骨缺损中新骨形成，还能在体外有效烧蚀骨肿瘤Saos-2细胞并在体内显著抑制骨肿瘤生长。结果提示，BG-CuFeSe2支架或许可用于骨肿瘤切除术后骨缺损修复。

2.4 3D 打印聚合材料与生物陶瓷复合材料骨组织工程支架 聚合材料与生物陶瓷构成的复合材料综合了二者优点，具有高度模拟骨基质潜能，被广泛用于3D 打印骨组织工程支架［15］。SEIDENSTUECKER等［16］研究发现，复合BG和β-TCP粉末的结合可增加3D 打印骨组织工程支架的孔隙率，在促进细胞定植及其增殖、分化的同时增加其骨传导效果。BIAN等［17］引入了3D 打印技术中的立体光刻法来制备骨软骨-TCP/胶原支架，这种仿生支架是由陶瓷立体蚀刻、凝胶浇注和Ⅰ型胶原蛋白构成，其孔径为700～900 μm、孔隙率为50%～65%、抗压强度为12 MPa；与传统技术相比，陶瓷立体蚀刻在获得骨组织工程应用的理想支架方面表现良好。ZHANG等［18］采用3D打印制备了孔径为500 μm、孔隙率为60%的聚乳酸/羟基磷灰石（PLA/HA）复合材料支架，该复合材料支架具有良好的生物相容性，可促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）增殖和向成骨细胞分化。SINGH 等［19］通过一个温度控制的3D打印技术，设计了一个由生物复合材料明胶/TCP/丝素蛋白组成的复合支架，该复合支架与明胶相比有更高的细胞增殖率和更强的机械性能。由此可见，3D打印不同种类聚合材料与生物陶瓷组成的复合材料骨组织工程支架，其骨形成能力和机械性能潜力更大，具有更广阔的研究前景。

3 3D 打印复合材料骨组织工程支架在颌面骨再生中的应用

近年来，利用3D打印复合材料构建颌面骨并成功实施体内外的研究层出不穷。LIN 等［20］采用熔融沉积成型3D 打印技术制备了含不同比例聚己内酯（PCL）和MgP 的颌面骨组织工程支架，并用于兔颌面骨缺损模型，结果发现在MgP含量为20%的PCL/MgP 支架中细胞附着更多、更均匀，细胞增殖率更高，ALP活性更强，证实该支架具有较强的成骨诱导分化能力，在体内修复兔颌面骨8周后，支架周围有大量新骨形成，在修复兔颌面骨缺损效果方面显著优于PCL 支架和其他浓度MgP 支架。XU 等［21］利用3D 打印技术制备了纳米硅酸盐功能化聚己内酯（PCL/LAP）支架，结果发现PCL/LAP 具有良好的生物相容性，并能显著提高BMSCs 活性和增殖能力，植入颅骨缺损小鼠12周后，PCL/LAP支架区域可见明显的新骨形成，并且这种复合材料的生物安全性较高，可作为口腔颌面骨缺损修复重建的一种骨代替物。HALLMAN 等［22］制备了的PLGA/HA/β-TCP（PHT）复合支架，该复合支架能够与牙槽骨缺损区和牙体种植所需的钛螺钉完美匹配，杨氏模量为（67.18±7.40）MPa，压缩应力为（4.85±0.39）MPa，力学性能良好；同时，该复合支架还表现出优异的体外细胞生物相容性和适当的体内骨传导性，为牙槽骨缺损修复提供了一种新的策略。由此可见，3D 打印复合材料在颌面骨缺损修复重建中具有较高的应用价值。但目前3D 打印颌面骨组织工程支架的复合材料种类较少且大部分复合材料缺乏临床试验。因此，用于修复颌面骨缺损的3D打印复合材料骨组织工程支架仍需进一步探索。

4 3D 打印复合材料骨组织工程支架在骨再生中的发展前景

3D 打印复合材料骨组织工程支架在骨再生中的发展前景十分广阔，但目前尚处于对复合材料的组成以及支架上装载细胞种类的探索之中。

4.1 对复合材料组成的探索 HA/脱钙骨基质复合支架为骨再生和血管浸润提供了有利环境［22］。纳米氧化锌作为骨修复植入材料的新型涂层，将大大降低术后感染的发生率，未来在骨组织工程支架材料方面将会有广阔的应用前景［23］。在3D打印复合材料支架上添加磷酸钙涂层能够显著改善骨性宿主组织与牙种植体表面的界面结合［24］，在颌骨、牙槽骨重建及后续牙齿种植修复中具有潜在的应用前景。骨涎蛋白涂层至复合材料多孔支架用于促进成骨细胞生长和牙种植体表面的骨整合，对于修复联合牙齿、牙列缺失的颌面骨组织缺损具有较高的应用价值［25］。有研究以负载碳酸钙活性填料的预陶瓷树脂制备的3D打印锥形支架，在骨组织工程中具有广阔的应用前景［26］。DANG等［14］将半导体CuFeSe2纳米晶体的光热性能与生物活性玻璃支架的成骨活性结合起来，制备出具有骨肿瘤治疗和骨再生双重功能的新型生物材料，该生物材料在骨肿瘤中的应用前景广阔。

4.2 对支架上装载细胞种类的探索 除了常用的BMSCs 外，骨组织工程支架中装载的种子细胞种类也逐渐丰富。牙源性干细胞因其获取便捷性和成骨分化潜能成为种子细胞的新选择。装载人牙周膜干细胞的nHA/壳聚糖/明胶三维多孔支架在猪颌骨缺损模型中展现出了良好的骨再生能力，为牙源性干细胞在修复大段颌骨缺损中的临床应用提供了依据［27］。人羊膜间充质干细胞（hAMSCs）是一类兼具免疫调节、抗炎、血管再生等能力的种子细胞，装载hAMSCs 的异种干细胞β-TCP 支架在大鼠颅骨缺损模型中无明显免疫反应，具有启动内源性血管化骨再生能力，同时还能加速牙种植体的骨整合。这类易于获取的干细胞具有在修复颌面骨缺损的同时降低免疫反应、保障移植安全的潜能［28］。在组织学过程中，细胞荷载为细胞-支架复合物或重构组织移植物增强细胞功能，有利于形成细胞外基质和血管系统。在研发多孔复合材料的同时对荷载细胞种类进行探索，寻找易于获取并具有不同辅助功能的荷载细胞，从而为骨再生提供更有利的条件。

总之，随着3D打印复合材料骨组织工程支架的不断探索，可用于构建骨组织工程支架的复合材料种类逐渐丰富，这些材料具有良好的生物相容性和机械性能，并能保持细胞活性和增殖能力，从而促进骨整合与骨再生，在颌面骨缺损修复重建中具有广阔的应用前景。