吴景梅吴若峰*
上海大学材料科学与工程学院高分子材料系(201800) email : wujingmei@126
摘要：针对组织工程中急需具有适当尺寸的孔隙及孔隙率结构的多孔支架的问题，本文引入了目前正在飞速发展的快速成形（RP）技术。应用该技术可以在短时间内制造出既有精确解剖学形态、又具有适当尺寸的孔隙及孔隙率的三维立体结构支架。它可以控制载体骨架材料的内部微孔的数量、大小、分布及形状，从而提供给细胞的生存以最适宜的空间和营养条件。本文对多孔支架的快速成形进行综述并对其应用前景进行了展望。 关键词：组织工程多孔支架快速成形技术
1.组织工程概况
组织工程是上世纪８０年代才提出的一个新概念，它是应用细胞生物学和工程学的原理，研究开发能修复和改善损伤组织结构与功能的生物替代物的一门学科。组织工程学的基本原理和方法是将在体外培养
、扩增的正常组织细胞种植到具有良好生物相容性且在体内可逐步降解吸收的组织工程多孔支架上，形成细胞-支架复合物，细胞在支架上增殖、分化，然后将此复合物植入机体组织病损部位，在体内继续增殖并分泌细胞外基质，伴随着材料的逐步降解，形成新的与自身功能和形态相适应的组织或器官，从而达到修复病损组织或器官的目的。这种方法将使组织器官缺损的从器官移植进入器官制造的新时代[1-3]。
组织工程材料应具有良好的生物相容性和生物降解性，其中，可降解聚合物的适应面最广[4]。作为有效的细胞支架，光有材料本身是不够的。医学研究表明，用作填充和修复的支架材料是细胞附着的基本框架和代谢场所，因此它的形态和功能直接影响其所构成的组织的形态和功能，必须将它制成具有特定形状和孔结构的三维多孔支架。孔结构取决于致孔方法，而特定的形状则取决于成形方法。因此组织工程支架的制备应包括致孔和外形成型两个层次，二者必不可少，相互结合才能制得满足要求的支架。
目前组织工程研究重点之一就在于用于支架的生物材料的结构设计与结构和营养条件的最优化及其制造方法研究。能否研制出某种再生的有适当尺寸的孔隙及孔隙度结构的支架植入物是组织工程取得成功的决定性因素，也是目前流行的“组织培养技术”（即将细胞安排在三维结构中，研究细胞间的相互关系的体外测验）的关键技术之一。.
近年来发展了很多制备和加工组织工程支架材料的方法，主要有纤维粘结法[5]、溶液浇铸/粒子沥滤法[6-7]、熔融成型法[8]、气体发泡法[9-10]、相分离/乳化法[11]、烧结微球法[12]等。在上述各技术和方法中，研究者更多地致力于致孔方法和孔结构的研究，对支架外形的成形方法的关注相对较少，文献报道的多为膜、圆柱、立方体等简单的支架。而在组织工程中应用更多的是与特定组织或器官相匹配的具有一定复杂外形的三维多孔支架，另外上述各方法存在制造周期长，成品率低的问题。如何在短时间内制造出既有精确解剖学形态，又具有适当尺寸的孔隙及孔隙率的三维立体结构的支架，是医学界一直在探索的问题。目前国内
外工程界飞速发展的快速成形技术有望使这个问题得到彻底解决。
2. 快速成形技术（ RP）原理
快速成形技术又称固体自由成形技术（solid free-from, SFF），它采用离散/堆积原理，先由三维CAD软件设计出三维曲面或实体模型，然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，将三维模型变为二维平面/截面信息，即离散过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在微机控制下数控系统以平面加工方式有序、连续地加工出每一个薄层，并使它们自动粘结而成形，即材料堆积过程。该技术近年来在机械制造领域发展较为迅速，其应用领域也将逐渐扩展到组织工程三维多孔支架的制备上来，其特征在于可同时完成致孔和外形的成形，一步得到具有一定外形的三维多孔支架。
自快速成形技术诞生以来，产生了数十种快速制造工艺，较成熟的有光固法（SL-stereolithography）、叠层法（LOM-laminated object manufacturing）、激光选区烧结技术（SLS-selective laser sintering）、熔融沉积技术（FDM-fused deposition modeling）、三维打印技术（TDP-three dimensional printing）和喷粒法（BPM-ballstic particle manufacturing）。其中适用组织工程多孔支架制备的RP工艺主要有熔融沉积技术（FDM-fused deposition modeling）、激光选区烧结技术（SLS-selective laser sintering）和三维打印技术（TDP-three dimensional printing）。
熔融沉积技术原料是丝状热塑性材料，其中加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓的信息，作x-y平面运动和高度z方向的运动。丝状热塑性材料由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成轮廓。一层成型完成后，喷头上升一截面层的高度，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。
激光选区烧结技术原料是粉末物质，成型时先在工作台上铺上一层粉末材料，然后激光在计算机控制下以一定的扫描速度和能量密度扫描，被扫描的部分材料熔化、粘结成型，未被扫描的粉末材料仍呈粉粒状作为工作的支撑，一层完成成型后，工作台下降一个层高，再进行下一层的铺料和烧结，重复以上工序，直至形成最终产品。
三维打印技术首先由MIT开发成功，并很快用于组织工程多孔支架的制备。三维打印法制备多孔支架
时，打印喷头打印出粘结剂（通常为溶剂），粘结剂将粉末粘合成一层，在计算机控制下，按预定程序逐层打印，即可形成三维支架。
快速成形方法最突出的特点是（1）可以制造出任意复杂形状的三维实体，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉；（2）微孔的数量、大小、分布及形状可人工影响或控制；（3）RP能形成传统工艺不能成形的200－500um以上的可控孔隙结构，保证孔隙之间的完全贯通；（4）能实现孔隙梯度结构和用户化的制造，具有最大的柔性和快速性。
3. 快速成形技术在组织工程方面的应用情况
目前快速成形技术在组织工程领域的应用主要在骨组织工程方面。以美国Dayton大学为首的研究小组正在研究用快速成形方法中的LOM技术，应用羟基磷灰石（HA）/玻璃薄
膜材料制造人造骨骼基体[13]；Michigan大学采用了快速成形方法中的SL技术，将羟基磷灰石粉末（40%的体积含量）与紫外光可固化的丙烯酸单体（60%的体积含量）混合，制造人工骨；有些科研人员正在应用SLS技术采用羟基磷灰石陶瓷粉末材料直接制造能移植的骨骼[14]。MIT的研究人员利用快速成形方法中的TDP的方法，研究制造具有微观结构和药物缓释的人造骨骼基体，目前研究正在进行之中[15]。TDP技术是在粉末层表面有选择性地施加粘结剂，将支架的片层逐层粘结起来。粘结剂喷涂采用了打印技术中的喷墨方法，喷头在不接触粉末表面的情况下，有选择性地将粘结剂喷涂到需
要的位置上。如果喷射的粘结剂中含有其它具有某种功能的成分，则可以控制成分的变化，很容易获得梯度材料，这是人工骨制备所需要的。该技术可以用来进行对孔隙率的控制以及对孔径分布的控制（大约100um），实现人工骨所具有的孔隙梯度结构，从而控制人工骨的降解速率，使之与新骨生长的速率相一致，实现骨缺损的良好修复。Michael J.Cima等用TDP技术制备具有一定微观结构功能的种植体，主要用于松质骨移植的多孔材料，取得了良好的效果。
我国从1991年开始RP技术以来，目前清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北京隆源快速成形公司等单位，在RP设备及材料方面做了大量的研究工作。隆源公司研制出选择性激光烧结系统（SLS），并配备了三维数字化仪，能做出复杂的原型。清华大学研制出多功能快速造型系统（MRPMS）和基于FDM的熔融挤出成型系统（MEM－250）。熊卓等[16]采用T（组织工程材料）＋F(框架成形材料)成形工艺和低温喷射工艺实现了材料的精确堆积，形成了200－500um的可控大孔隙和孔隙梯度结构，获得理想的参数。最近，颜永年、崔福斋等[17]采用自行研制的常温多头喷射成形技术，采用纳米晶羟基磷灰石/胶原复合材料，复合骨生长因子BMP作为成形原料，制造出非均质、多孔结构的细胞载体框架结构。植入人体后，在体液和BMP的共同作用下，依靠细胞载体框架结构，诱导新骨生成，并参与代谢，原有框架在新骨生长后，逐步降解。上海大学与华中科技大学合作，共同组建了快速制造工程中心，该中心自2001年10月31日成立以来，发展速度很快，目前已配备了HRP 薄材叠层激光快速成型系统（LOM）、HRPS选择性激光粉末烧结快速成型、FDM3000熔融沉积快速
成型系统三种快速成型系统。中心与上海市组织工程研究与开发中心合作，已实现了由医学CT图片到三维骨骼原型的重构，精度达到医学上的要求，并利用快速成形法制造出骨骼原型，解决医学上制作缺损骨骼原型的难题。西安交通大学系列快速成型机（LPS-600A、LPS-250、CPS-250A）早已投入市场，为拓宽快速成形技术的应用，西安交大快速成型制造与研究中心与第四军医大合作，正在进行基于气体挤压式熔融沉积快速成形技术的骨组织工程基体制造的研究。该方法能达到材料、成形、生物活性的统一[18]。4、结论及展望
目前快速成形（RP）技术在组织工程领域的应用还处于初级阶段，其应用主要局限于骨组织工程领域。从理论上来讲，所有组织工程的细胞外基质－载体都可以用快速成形制造技术制造出来。随着组织工程研究的突飞猛进和快速成形技术的迅猛发展，预计在十年左右的时间里，人体主要器官如骨骼、肝脏、和肾脏等的组织工程诱导成形技术难关将被攻克并
逐步形成规模化产业。组织工程材料的快速成形制造这一结合了材料、成形、生物和医疗等学科的产业，将会为越来越多的患者带来健康和幸福。这方面的研究不仅有重要的理论意义，而且具有很强的应用价值，将是工程界、医学界的一个新的研究热点。
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Rapid Prototyping Manufacturing for Tissue Engineering
Porous Scaffolds
Wu Jingmei Wu Ruofeng*
Department of Polymer Materials,
School of Material Science and Engineering,
Shanghai University, Shanghai, PRC, 201800
Abstract
According to the problems existing in porous scaffolds fabrication of tissue engineering—there is a urgent need for scaffold with suitable pore dimensions and porosity. A newly-developed technique—Rapid Prototyping is reported. Adopting this technique, a three-dimensional scaffold that has accurat
e anatomy contour and suitable pore dimensions and porosity can be fabricated in a short time. The most important characteristic of this technique is that the quantity, size, distribution and shape of micro-pores can be affected and controlled. Thereby it can provide optimum space and culturing condition for cell’s seeding and growth. The paper summarized the applications of RP in tissue engineering and previewed the prospect of the study.
Keywords: tissue engineering porous scaffolds rapid prototyping沟槽式管接头
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