文档介绍：华南农业大学2014-2015年度研究生文献综述大赛
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基于粉体材料的3D打印骨组织工程应用研究进展
摘要
3D打印是一种实体自由制造技术,通过“分层制造、逐层叠加”的方式,能够根据不同患者需要,快速精确制备适合不同患者的个性化生物医用高分子材料,并能同时对材料的微观结构进行精确控制,在组织工程应用中具有独特的优势。本文通过总结基于粉体材料的3D打印技术在骨骼支架的应用,包括力学性能、结构条件、生物材料与骨骼医学方面的应用,了解到3D打印的巨大应用价值和具有巨大的研究空间,并对3D打印关于以上内容进行了总结和展望,以便于实验设计和提高实验设计的效率,和有效地开展下一步的科研工作。
关键词:3D打印骨骼支架生物材料组织工程应用
Recent Research Development of Bone Tissue Engineering using Powder- based Three-dimensional Printing
Abstract: 3D printing is a solid free-form fabrication(SFF) technique building plex 3D structure layer by layer and owns huge advantages in Tissue Engineering due to its customized design for different patients and flexibility in controlling microstructures of the printed scaffolds. Mechanical properties, structural requirements, biomaterials and applications in biological fields of bone scaffolds were summarized in this review. Form the summary, 3D printing will have promise research space in the future. Conclusion and outlook were performed, form which research efficiency and design will improve in order to start the work in the future.
Keywords: 3D Printing Bone Scaffold Biomaterial Tissue Engineering Application
1 前言
组织工程(Tissue Engineering ),是20世纪80年代末逐渐发展起来一门新兴交叉科学,运用生物工程学与生命科学等一系列学科原理,目的是为了体内或体外生成具有生物可利用的生物材料,具有修复、维持或者提高组织甚至代替整个器官功能的功能[1-3]。90年代末,组织工程曾被视为在未来可以全面取代人体组织甚至整个器官的一项革命性的技术,目前该技术已逐渐被运用在生物医学领域上。因此,可以推测出在未来几十年,科学家们将建立起体外生理模型来研究疾病发病机理,研制出可以消除或者减小组织置换需要的药剂,从而进一步完善组织工程技术在生物医学领域的应用[4]。
典型的组织工程需要生长细胞和支架材料[5]。支架材料是指可以为种子细胞提供适合其生长的天然仿生环境,并发挥生物学功能的一类材料。典型的骨三维支架模型是具有多孔结构,这样特殊的多孔结构能够很好地模拟出骨骼的细胞外基质的自然环境,且可以很好地容纳生长因子,提高材料的生物活性[6]。
传统制造零件主要是通过切削等方式将耗材雕刻成细小的、复杂的结构,是“自上往下”的。然而,用于骨骼组织的支架模型,其复杂的三维多孔结构对于打印技术的精度以及支架的结构设计要求都是非常高的,传统的制造手段根本不可以打印出如此精细的结构。虽然发泡[7],盐析[8],乳化[9]等各种各样的途径制备具有多孔结构的材料,但这些方法有一个共同的缺点,就是不能更加直观地通过调节多孔支架的几何参数,如孔径、孔交联程度和孔隙率等精确地控制模型的结构。
图1[14] SFF技术流程图
与传统的材料去除-切削加工技术不同,实体自由制造(Solid Free-form Fabrication,SFF)采用材料(如粉末)逐渐累加的方法制造实体零件的技术。这种反复的打印过程通过CT等成像数据,建立起三维CAD模型,每一分层都具有确定的三维坐标,按照“分层制造、逐层叠加”的工作原理得到任何形状的模型[10],如图1。该打印技术