三维打印多孔种植材料促进骨结合的研究进展*

王琬萌 李 莺

随着全球和我国老龄化社会的加速到来，老年甚至是高龄(75 岁以上)患者中种植修复的比例呈现逐年增高的趋势。而由于老年人群常常伴有功能性依赖、多重疾病和虚弱等问题，因此，对于种植修复的成功提出了新的挑战[1]。影响种植成功率的主要因素之一是种植体的初期稳定性。而随着三维打印技术的发展及其在口腔领域的应用日益增多[2]，研究发现，三维打印材料能够促进种植体骨结合进而增强种植体稳定性，其不仅能满足患者的个性化需求，且选材多样，包括金属、陶瓷、聚合材料和复合材料等[3]。

三维打印是快速成型技术的一种，又称为增材制造，与传统的制造方法相比，三维打印技术不仅能加快制造过程，并且更加灵活、经济[4]。尽管如此，三维打印植入物的临床应用仍存在许多难题待解决。临床上，种植成功的关键是种植体能与周围骨组织达到良好的骨结合，而如何改善骨结合过程以及如何长期保持种植体与骨骼的良好结合仍是目前相关研究的主要问题。而种植材料的力学和生物特性对种植体骨结合的速度有决定性的影响。因此，急需通过改善种植材料的力学和生物性能有效提高和维持骨-种植体结合强度进而加快实现三维打印多孔材料种植体在种植临床的应用。目前，三维打印多孔种植体选材多样，形态复杂，对骨结合的促进作用受到多种因素影响，具体如下。

1.三维打印多孔种植材料的选择

1.1 金属材料 理想的三维打印种植体应当具备良好的生物相容性，植入后无异物排斥反应，能与牙槽骨形成紧密结合。自上世纪50 年代Branemark证实金属钛可与骨组织之间紧密结合以来，钛和钛合金材料因其良好的机械性能和稳定的生物性能成为目前临床应用最广泛的种植体材料[5]。基于此，邓威等[6]通过3D 打印技术制造了不同孔隙率的多孔钛合金试件，并将三维打印多孔钛合金植入兔股骨，Micro-CT 及组织学观察显示,植入物表面及内部有大量新骨长入，证实多孔钛材料能够促进骨再生与新骨形成。除了钛，钽作为一种新型骨小梁金属也受到越来越多的关注。Fraser 等[7]通过动物实验表明多孔钽无细胞毒性且能加速骨整合作用，是良好的三维打印多孔材料。此外，与钛合金相比，3D 打印多孔钽在促进新骨形成和骨重建方面具备更出色的生物性能，更能促进骨髓间充质干细胞(hBMSCs)活力和成骨基因表达水平[8]。目前，钽因其无毒副作用和良好的骨传导性能已在临床应用近80 年。然而，目前商品化的多孔钽价格昂贵且制造对技术要求很高，极大限制了钽的临床应用。

1.2 非金属材料 除了金属材料，生物陶瓷类三维打印多孔材料在修复骨缺损的应用中也显示出巨大潜力。金属材料与骨组织之间多为机械嵌合，而生物陶瓷类三维打印多孔材料与骨组织之间通过化学键结合，通过调控种植体周围成骨微环境，促进间充质干细胞的分化进而促进骨结合[9]。临床常用氧化铝及氧化锆基陶瓷属于生物惰性陶瓷，具有高抗弯强度，低弹性模量以及极高的化学稳定性和热稳定性，且具有很好的生物相容性，用作植体时，能够减少摩擦、降低磨损,因此常用于制造牙根、骨、关节等[10]。此外，生物活性陶瓷，如生物玻璃及可降解的硅酸盐类陶瓷等，能够与体内组织间形成牢固的化学键，显示出良好的成骨能力[11]。近年来，聚乳酸(PLA)、聚已酸内酯(PCL)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚醚醚酮(PEEK)等合成聚合物的仿生应用在骨修复方面实现重大飞跃并展现出优异的仿生性与生物相容性。其中，PLA、PCL、PLGA 因其良好的生物相容性和可降解性广泛用于骨再生，而基于PEEK 的复合材料在颅面部植入手术中已普遍运用[12]。PEEK 聚合物不仅能运用于颜面及颅骨重建，在口腔种植应用中也被寄予厚望。例如DENTIN，Nobel Biocare，SisoMM 等公司设计了PEEK 基台或种植体来替代传统的金属和陶瓷植入物[13]。通过模拟骨组织微环境或是合成含类骨成分的PEEK 复合材料，合成聚合物能引导骨细胞在材料表面的排列而促进细胞迁移和生长，进而为骨结合提供良好的基础[14]。尽管目前临床应用中仍然以金属种植体使用最为广泛,但三维打印技术的兴起对非金属材料的设计与制作提供了新的可能，也为临床种植技术带来了新的生机。

2.三维打印多孔种植材料的制作方法与主要参数

2.1 三维打印方法选择 不同三维打印技术对多孔材料结构成型的精度和粗糙度均有不同程度的影响，根据所采用的原料和成型方法不同，通常可以分为选择性激光熔化(Selective laser melting，SLM)，电子束选区熔化成型技术(Electron Beam Selective Melting Forming，EBSM)，光固化成型(Stereo lithography Apparatus,SLA)，熔融沉积成型(Fused deposition modeling，FDM)等。SLM和EBSM 是目前常用的基于粉末的金属3D 打印技术，利用高能束融化金属粉末，通过逐层铺粉完成材料构建。SLM 较之EBSM 制备的样品表面更为规则，同时SLM 样品比EBSM 样品更能促进前成骨细胞的增殖和矿化[15]。SLA 和FDM 能够分别对树脂，热塑塑料等非金属复合材料进行加工成型，其中，SLA 技术显示出更好的精度及稳定性[16]。但是SLA 的选材范围较窄，而多数FDM 技术中使用的热塑性材料缺少促进细胞粘附、增殖及分化的生物活性成分[17]。

2.2 三维打印主体结构的主要参数 主要包括材料孔径、孔隙率、孔型的设计。其中，合适的孔径不仅要满足细胞的氧气需求与营养交换，同时，也需支持细胞与骨组织的长入与重塑。因此具备多孔性能的三维打印种植材料促进骨结合的原因主要包括两个方面：其一，多孔结构可提供促细胞附着、存活、迁移、增殖和分化的表面；其二，多孔结构还可提供一定大小的孔隙，支持血管组织、新组织向内生长，进而维持血液循环和营养物质交换之间的良好平衡[18]。Yang 等[19]通过培养小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)比较了不同孔径钛合金植入物的生物性能。结果显示孔径350μm 组碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)与骨钙素(osteocalcin，OCN)基因水平明显高于其他组，显示出良好的早期促成骨细胞分化性能与促骨矿化愈合能力。此外，有研究证实，多孔植体的最小孔隙率应至少为40%，以保证足够的细胞浸润[20]。除了孔径与孔隙率，孔型的设计对骨结合的影响也不容忽视。通过三维打印技术，学者们可以构建多种复杂的多孔结构，包括金刚石晶格、细胞结构、小梁状材料等[21,22]。这种三维空间结构中的交叉支柱能够使得细胞受到的物理刺激增加，降低细胞接种时的液体流速，进而更利于细胞粘附[23]，而这对促进材料与骨组织的结合至关重要。

2.3 三维打印梯度构建 较高的孔隙率或较大的孔径通常会使多孔种植体的力学性能降低，进一步直接影响种植体骨结合，而通过设计梯度材料能够进一步改善植入体的机械性能，使其更加接近天然骨的力学性能而避免应力屏蔽造成的材料周围骨组织吸收及骨结合失败[24]。Zhang[25]等发现，梯度设计的三维打印支架综合力学性能优于均匀多孔结构的生物材料，具有平滑、连续、对称的变形机制。此外，梯度多孔材料具备类似人股骨的径向渐变结构，总体表观密度(1.9g/ cm3)更接近人股骨(1.88g/ cm3)。有研究表明380～405μm 孔径促软骨细胞和成骨细胞良好生长，186～200μm 孔径利于成纤维细胞生长，而新骨形成的孔径为290～310μm。因此梯度材料种植体内存在不同孔径的空隙能够很好地促进不同类型组织向内的最佳生长，同时，梯度网状结构的互连多孔结构还能促进生理流体、氧气和营养物的循环，以及细胞向植入物中心的迁移，并模拟天然骨的流动条件，提供有利于骨组织形成的良好环境[26]。

2.4 其他影响多孔材料骨结合的性能参数 除了最主要的孔径、孔隙率、孔型参数和梯度构建，多孔材料影响骨长入结构参数还包括渗透性、连通性、比表面积、孔隙的扭曲度、孔隙分布等。多孔材料中血管形成及组织矿化所需要的渗透率阈值k为3×10-11m2，而当多孔种植体的孔隙率为40%～70%时，拥有最接近人松质骨的良好渗透性，能够促进骨向内生长入材料孔隙中，使骨结合强度增加[27]。同时，种植体中孔隙的互相连通对血液循环与体液交换有着不可忽视的作用，为促进成骨细胞生长与骨长入，多孔植体孔隙间的互联尺寸必须超过50μm[28]。此外，与传统的植入物比较，多孔材料明显的增加了植入物的比表面积，利于成骨细胞早期的粘附增殖，进一步使新骨形成增加，促进植入物的早期骨整合。而多孔材料作为一种具备贯通性、渗透性的孔隙状支架，在三维空间结构上，其孔隙的扭曲度及分布也直接影响着成骨性能。材料孔隙之间互相连接，构成了复杂的仿生血管网络结构，这种类似于骨骼的孔隙扭曲度与多孔微通道分布，可以促进营养物质的运输，从而促进组织向内生长和血管化，增强骨缺损区域的新骨形成[29]。

3.三维打印多孔种植材料的特点和设计中需要考量的方面

3.1 三维打印多孔种植材料的特点 目前，关于三维打印种植体和预成多孔种植体，均有一定研究。例如：三维打印种植体采用3D 打印技术、通过个性化定制设计不同患者的植入物，进一步提高其适合性与精确度，满足不同大小及复杂程度的骨缺陷，优化临床种植手术[30]。而在预成多孔种植体的研究领域，Chang 等在市售的Zimmer Dental公司的Screw-Vent 种植系统种植体基础上设计了多孔参数，结果显示具有互联孔隙的3D 打印多孔种植体更能促进骨长入和骨矿化，从而获得更好的稳定及固位效果[31]。具备多孔性能的三维打印种植材料能够通过促进细胞附着与增殖进一步加强骨结合，基于此，郭芳等将3D 打印个性化根型多孔种植体应用于患者微创拔牙后的即刻种植，结果显示，3D 打印个性化根型多孔种植体不仅能保留原有解剖结构，而且具有与天然牙相近的力学性能，种植体植入后初始稳定性与骨结合良好，具备极高的临床应用价值[32]。由此可见，三维打印多孔种植材料兼具三维打印种植体的个性化特点和预成多孔种植体的互联孔隙促进骨结合的优势，具有更好的应用前景。

3.2 三维打印多孔种植材料设计中需要考量的方面 由于种植区域的不同导致生物力学性能个体差异性，种植体材料三维网状结构设计需要考量机械性能、力学相容性、生物相容性和制造可行性四个不同方面。

多孔种植体与天然骨间机械性能若明显失配会引发应力屏蔽效应，使得其与骨组织之间结合力下降进而导致种植失败[24]。适当的机械性能不仅使植入物具有承重能力，并能为成骨提供必要的环境。3D 打印种植体多孔材料的机械强度能对贴附细胞的正常生理代谢产生影响。一方面，贴附细胞的行为，例如迁移，增殖，分化，蛋白表达和凋亡等均受到种植材料机械强度强弱的影响[33]。另一方面，通过细胞表面整合素与贴附配体之间的特殊相互作用，贴附细胞能够感知种植体的机械强度并且因此施加牵引力来影响细胞骨架的张力，而细胞骨架张力的微弱变化就能引起细胞形状的变化，并且因此影响基因表达的级联信号通路[34]。力学性能由材料选择及结构共同决定，而通过设计孔径及孔隙率能改善种植体的机械性能，在保持合适孔隙率的同时达到良好的生物力学相容性，使其与植入部位组织具有相近力学性能，包括强度、密度、弹性模量等，以维持骨代谢生物力学环境中结构的稳定性和完整性[35]。此外，三维打印多孔种植体应具备良好的生物相容性，同时具备临床制造可行性，可以重复打印出设计复杂的结构，以满足不同的临床需求。由此可见，三维打印多孔种植材料的设计需要进行系统全面的综合考量。

4.三维打印多孔种植材料的表面改性和载药涂层

4.1 表面改性 为了改善植入物及细胞间的微环境，提高多孔材料的生物活性，对三维打印多孔种植体进行表面改性逐渐成为了生物医学领域的一个新热点。表面改性是在保证材料原性能的前提下，仅对种植材料表面进行处理的技术，方法包括喷砂，打磨，酸碱处理，电化学阳极氧化等物理及化学方法以及生物活性涂层法。Nune KC 等[36]运用电化学阳极氧化在电子束熔融技术制作的多孔钛合金表面制造出纳米结构，并将其与光滑多孔钛种植体进行生物活性对比。成骨细胞培养结果显示,通过表面处理的种植体有高表达的ALP 活性与钙含量。宏观尺度上，多孔植体使骨-种植体接触面积的显著增加能更大限度促进骨长入，而通过表面改性获得的微纳米粗糙表面可有效改善种植体表面能，进一步促进材料与细胞间的相互作用[37]。

4.2 载药涂层 为了进一步改善细胞微环境，增强种植体抗菌性能，避免炎症导致的骨结合失败，在三维打印多孔种植材料的表面负载载药涂层是提高其生物相容性，促进骨结合的有效手段。Zhang 等通过多巴胺涂层的偶联，将BMP-2 衍生肽固定在3D 打印的多孔支架上，最终促进了碱性磷酸酶(ALP)，Runt 相关转录因子2(RUNX2)，骨钙蛋白(OCN)和骨桥蛋白(OPN)等成骨相关基因的表达，展现出显著的成骨作用[38]。此外，3D 打印可降解多孔生物材料载BMP-2 能够有效维持骨重建时期所需的尺寸稳定性，预防种植术后的早期骨吸收[39]。而目前给药临床研究广泛的米诺环素在三维打印多孔种植材料促进骨结合方面应用较少。现有研究多集中在通过微球载药或在种植体表面形成生物涂层达到米诺环素的局部缓释给药，而将三维打印多孔材料与米诺环素联合应用未见报道。研究发现，3D 打印材料能够被赋予多功能性，多功能3D 打印PLA-胶原-米诺环素-纳米羟基磷灰石支架兼具抗菌和促进骨再生作用[40]。由此可见，3D 打印多孔材料与载药体系的结合能进一步诱导成骨，缩短骨缺损愈合时间，加速骨结合。

综上所述，三维打印技术弥补了传统种植材料制造在速度、精确度及耗材等方面的缺陷，能够更为简便而精准的制造出具高度连通孔隙的个性化植入物。同时，通过控制多孔种植材料关键参数的设计，如孔径、孔隙率、孔型等，可进一步优化多孔种植体的机械性能与生物性能，进而促进种植体骨结合。尽管三维打印相对昂贵的价格与生产规模的限制使其在目前临床应用仍然存在一定的局限性，但是可以预见代表着前沿的三维打印技术将逐渐成为主流，其在口腔种植领域也具有广阔应用前景。未来的发展目标是通过不断创新，提高临床种植成功率，为牙列缺损及缺失的老年人提供更多临床选择。