3D打印技术在抗感染生物材料制作中的研究进展*

车柯达，陈 颖 综述 雷玉洁 审校

(昆明医科大学第三附属医院/云南省肿瘤医院胸外科一病区，昆明 650118)

3D打印技术,又称快速成型技术，指在计算机控制下，根据物体的计算机辅助设计(computer aided design,CAD)模型或计算机断层扫描等数据，在精确的3D堆积下，按照“分层制造、逐层叠加”的基本原理，使用具有一定可塑性的材料，快速订制各种复杂形状物体的制造方法[1]。近十五年来3D打印技术飞速发展，各类材料均可以作为3D打印的原材料如：液态光敏树脂、生物可降解水凝胶、热缩性高分子、塑料、陶瓷、金属粉末及细胞等[2]。

在临床工作中通常需使用一类能对机体、器官和组织进行诊治、修复、诱导再生或增进其特殊功能的特殊材料，被称为医用生物材料或生物材料。临床常用的生物材料包括：体外循环管道、肿瘤外科修护代替材料、人工关节、各类引流管道、心脏瓣膜、合金材料、各种支架及植入设备等[3]。

目前临床工作中所使用的生物材料大多采用传统制造技术如：热熔挤出成型法(hot melt extrusion,HME)、注塑法、模铸法制造，其成品精度差、结构简单，所使用材料较单一。3D打印技术由于其可快速精确制备各种复杂形状的生物材料，并能对材料的微观结构进行精确控制，以满足不同患者的个性化需要，使得3D打印技术在组织工程应用中具有独特的优势[4-5]。目前组织工程学家正尝试使用活体细胞为原材料使用3D打印制作可供移植的组织及器官如：血管、角膜、肾脏、唾液腺等[6-8]。

生物材料在植入或介入人体后，细菌易在其表面黏附、增殖并形成生物被膜(biofilm,BF)。由于BF的保护作用，膜内细菌很难被抗菌药物杀灭，并会不断繁殖和释放出浮游细菌，造成反复感染或恶化，造成生物材料植入感染(biomaterial centered infection,BCI)[1,9-10]。BF是造成BCI难治的主要原因，一旦发生感染，多数情况下需被迫取出生物材料，或由于机体功能的需要不得不再次植入生物材料。

目前3D打印技术可将抗菌材料通过准确三维堆积成特定空间位置达到抗菌效果，或通过控制生物材料表面形貌以减少病原菌的黏附达到抗菌效果。本文就3D打印技术制作医用生物材料与抗感染生物材料的现状和前景进行介绍。

1 3D打印技术制备医用生物材料的现况

3D打印制作医用植入材料的常用方法为光固化成型(stereolithigraphy apparatus,SLA)、熔融沉积快速成型(fused deposition modeling,FDM)、选择性激光熔化成型(selective laser melting,SLM)和三维喷印成型(3D printing and plotting processing，3DP)[11-13]。其主要使用材料包括：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS)、工程塑料、聚乳酸(poly lactic acid，PLA)、光敏树脂和各类型金属粉末。

目前可临时植入人体或与皮肤黏膜短时间接触的生物材料可通过3D打印技术制作，如假体、耳廓支架、助听器、假肢等。其常用原材料为ABS-M30i、PC-ISO工程热塑性塑料与MED系列刚性速成型光敏材料。HOLMES等[14]使用聚乳酸为材料，应用3D打印技术制作了心血管植入材料。

PLA是一种可降解的聚酯类高分子，具有良好的生物相容性[15]，可通过3D打印技术制作药物缓释载体、组织工程支架、骨折内固定材料等生物材料长期植入人体。

3D打印技术在生物医用高分子材料的制备领域仍处于初始阶段，现3D打印医用生物材料的研究主要集中在原材料的选择，主要包括材料的生物相容性、机械力学性质及细胞在植入材料内部的黏附生长和分化的机制，尤其是材料与细胞相互作用的机制，但使用3D打印技术制作具备抗感染能力的生物材料的相关报道较少。

2 3D打印制作生物材料的表面形貌与细菌黏附

大量体外研究证明生物材料的表面不同，黏附的细菌种类不同；同种材料采用不同方法制作而成的生物材料表面，同种细菌的附着量也不同[16-17]。这与材料表面形貌(如结构域)、拓扑结构(如表面粗糙度、平滑度)、疏水性及化学性质相关，同时也与细菌种类的自身特性(如有无鞭毛、分泌聚合物的多少及种类) 相关[18]。当生物材料植入人体后，细菌在生物材料上黏附并最终形成BF导致BCI是一个复杂的动态过程，与细菌、宿主及生物材料三者之间的相互作用密切相关。

细菌在生物材料上的黏附是形成BCI的关键。有研究表明，植入生物材料的表面粗糙度是影响细菌黏附的重要因素[19]。扫描电镜研究证实，生物材料表面不平整的地方,如裂沟、刻痕、摩擦较大的区域是病原微生物最先聚集的部位，属于细菌黏附的优势部位，细菌黏附于这些部位后繁殖，最终形成BF。粗糙的表面可增加微生物的接触面积，为细菌提供附着场所,并产生物理屏蔽效应，微生物一旦接触粗糙的表面可以滞留很长时间。细菌定植在粗糙的材料表面后，可在短时间内形成细菌种类复杂、致病力强的细菌生物膜，导致反复感染及抗菌药物耐药。

目前临床所使用的医用生物材料大多都按照传统的技术制造。传统的生物材料制作技术，无论是机械加工或是用模铸、铸塑、HME等方法制造的生物材料表面，总会存在着具有较小间距和峰谷的微观几何形状误差，这种特性被称为表面粗糙度。如HME虽然能以较低的成本制作大量生物材料，但制作过程容易产生流痕、熔接痕等造成材料表面粗糙度增大，HME制作的导管经过检测厚度差异可达(0.100±0.025)mm。传统生物材料制作技术且对材料表面粗糙度控制较差，导致其产品表面存在不平滑区域，这些区域为病原菌的早期黏附提供了良好的位点。

3D打印技术主要以ABS、工程塑料、PLA、光敏树胶、合金材料等为基本材料，多采用SLA和FDM制作，其产品在CAD控制下可对生物材料的表面粗糙度及微观结构进行精确控制。3D打印技术的精细度决定了其成品表面的粗糙度与机械性能，目前3D打印技术在其CAD空间制作模型中x、y、z空间位点的精确度：z轴层厚达16 μm，平面方向即x、y方向的精度最低可达600 dpi，部分研究使用的3D打印机精度甚至可达到纳米级别，且可根据植入部位不同而具体调整精度，高精度3D打印技术对生物材料表面粗糙度的控制远高于传统生物材料制作技术，能最大程度保证制作的生物材料测评表面的相对平滑，减少细菌黏附的发生。但CARLEN等[20]研究发现玻璃离子和复合树脂制作材料经抛光后表面极性发生改变,有利于蛋白结合和细菌黏附，对于不同材料而言，相对光滑的表面甚至可使细菌更易黏附。

GU等[21]使用3D打印技术制作的表面具有岛状突起排列形貌的生物材料，可通过减少细菌与生物材料表面接触的面积来减少细菌黏附。PEREZ等[22]使用BCI常见菌种——表皮葡萄球菌RP62A、金黄色葡萄球菌ATCC25904与表面有间距400 nm、高度400 nm的岛状阵列突起的生物材料共培养，发现与表面光滑的生物材料相比，具备表面岛状阵列突起的生物材料表面细菌黏附较少，不易形成BF。CHUNG等[23]研究证明BRENNAN团队开发出的表面具有规律波浪状排列嵴突的海洋防污水材料，可在长达21 d的时间内抑制金黄色葡萄球菌BF的形成。若使用3D打印技术制作类似生物材料，可通过CAD设计使表面抗细菌黏附微图案更加多样，结构更复杂，产品的精度与制作速度更具优势。临床中病原菌大小不一，常见的植入感染致病菌——葡萄球菌大小约为0.8 μm，而目前市场主流可供医用生物材料制作的3D打印机精度最高仅为16 μm，仅研究级使用的3D打印机可达到纳米级别，目前使用3D打印技术制作表面间隙为纳米级的小于临床常见致病菌直径以减少细菌与表面接触面积的生物材料，需等待3D打印技术的进一步提高。研究在使用3D打印技术制作的16与60 μm层厚生物材料分别与表皮葡萄球菌共培养后，两种不同层厚的材料表面BF形成情况无明显差异，但按照60 μm层厚制作的生物材料表面BF更不易被洗脱剂洗脱。

通过CAD设计并使用3D打印技术制造的表面具有一定微图案的生物材料，不会改变其表面化学成分及组织相容性，相关研究证实在生物材料表面加入一些微图案，能够使生物材料获得一定抗菌能力，同时增强生物材料的组织相容性，获得理想的组织修复效果。DALBY等[24]使用聚苯乙烯制作表面存在规律纳米级点阵状突起的生物材料与表面光滑的材料表面相比，细菌的黏附、迁移和分化能力更强，周围组织的愈合也优于表面光滑的生物材料。研究证实与表面纹理杂乱的生物材料相比，表面纹理有序的材料组织相容性更佳，细菌更易黏附于其表面[10]。

3 3D打印制作携带抗菌成分的生物材料

在植入生物材料表面添加抗菌成分，可使得生物材料获得一定抗菌能力，这是组织工程中常用的制作抗感染生物材料的方法之一。但使用传统方法将抗菌成分添加至生物材料表面进行抗菌改性与3D打印技术相比，主要存在以下方面的劣势：(1)在制造过程中对加入的抗菌成分进行精确空间分布的能力差；(2)难以避免抗菌物质的活性在加工过程不受高温、氧化、稀释等作用的影响；(3)难以控制抗菌成分的释放时间和释放浓度，难以获得稳定的长期抗菌黏附效果。

PLA是一种可降解的聚酯类高分子，是3D打印所使用的原材料之一。由于其具有良好的生物相容性，降解产物无毒，降解速度可控，可携带抗菌成分，因此成为3D打印技术制作抗菌生物材料的理想载体。呋喃妥英(nitrofurantoin,NF)对革兰阳性和阴性菌均有抑制能力，CERNOHORSKA等[25]研究表明NF对128株能形成BF的阳性葡萄球菌有杀灭作用，且NF熔点较高，能耐受200 ℃的高温，加工过程中不易变性，是需要通过高温塑形制造生物材料的理想抗菌成分。SANDLER等[26]按照5%的比例将NF添加入PLA中，使用3D打印技术制作成直径为2.4 cm、厚3.0 mm的圆形薄片，同时采用传统的HME制作同规格的薄片，并将NF镀于薄片表面，分别与金黄色葡萄球菌ATCC2592共培养，检测其表面生物膜形成情况。结果显示3D打印制作的PLA-NF薄片表现出长效、稳定的抗菌能力，而HME制作的薄片抗菌能力随着共培养时间延长而迅速降低。

LEE等[27-28]将磷酸钙、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、利福平、二甲基亚砜按照不同比例混合制成的微流体使用3D打印技术植于生物材料表面，形成间距100 nm、高度100 nm点状阵列微图案，分别与表皮葡萄球菌株NJ9709和小鼠成骨细胞MC3T3混合培养。结果提示通过3D打印制作的微流体在生物材料表面能够达到长期的抗菌效果，同时对小鼠成骨细胞MC3T3的黏附影响不大。DONG等[29]使用高分子聚乳酸交酯、纳米羟基磷灰石为抗结核药物载体，使用3D打印技术制作骨修复材料，与采用传统方式将抗结核药物覆盖于钛合金材料表面的生物材料相比，3D打印技术制作的骨修复材料获得了更为持久稳定的抗菌效果。

将具备抗菌活性的成分添加到生物材料表面，无论采用传统制作方法还是3D打印方法，由于新成分的添加必将改变材料表面的理化性质，导致生物材料的组织相容性发生变化，3D打印技术制作的抗感染生物材料较传统方法制作的生物材料虽然能获得较好的抗菌效果，但因可用3D打印制作生物材料的原材料较少，其组织相容性未达到长期植入人体标准，使用3D打印技术直接制造而不经过后期处理的成品尚不能直接作为长期植入材料使用，因此开发具备良好组织相容性的3D材料具有重要意义。

3D打印技术在生物医用高分子材料的制备领域仍处于初始阶段，随着3D打印技术精度的提高与3D打印材料的开发利用，3D打印技术必将成为主流的生物材料制作方法。使用3D打印技术制作抗感染生物材料的前景广阔，可为临床防治BCI提供新思路。