程子梁 ,吳偉山 ,王象鵬 ,尹紀光*

(1.山東中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院,山東 濟南 250000;2.山東中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院關節(jié)骨科,山東 濟南 250000)

3D生物打印是一種經(jīng)過3D生物打印機生成人體組織的技術[1]。4D生物打印在3D的基礎上增加了第4個維度——時間,其關鍵是記憶材料,例如形狀記憶聚乳酸四氧化三鐵聚合物(polylactide/magnetite,PLA/Fe3O4)復合材料、記憶水凝膠等。

骨組織4D生物打印[2-3]是一種新興的技術,操作者可以通過軟件設定模型和時間,在這期間生物材料和細胞按照預設的設計構建成復雜的三維結構,并且可以隨著時間的推移自行變形或運動。時變動態(tài)4D打印模式打破了靜態(tài)3D打印產(chǎn)品的邊界。

1957年IsYasuda教授發(fā)現(xiàn)骨骼的壓電效應能夠控制骨骼的電微環(huán)境來促進骨骼愈合與骨重塑。4D打印生物壓電支架能提供可調(diào)控的電微環(huán)境,促進骨再生,為下一代骨組織工程提供了變革性方法;其誘導骨修復的模式包括物理刺激、化學刺激、生物刺激[4]。Liu等[5]研發(fā)了一種聚乳酸納米纖維制成的壓電支架,首次在動物體內(nèi)實驗,系統(tǒng)地論證了壓電材料作為軟骨修復植入物的可行性。其靠運動產(chǎn)生電荷,增加胞外蛋白吸附、協(xié)助細胞遷移和招募,誘導細胞因子分泌,從而達到良好的軟骨修復效果。Ying等[6]通過熱致相分離和致孔浸入技術制備的納米纖維壓電支架。肝素修飾的納米纖維明膠支架在宏觀和微觀上都表現(xiàn)出高彈性和形狀記憶特性,用于兔鼻竇增大中的骨再生,取得了成功。記憶水凝膠是一類具有高生物相容性的可降解的聚合物,已成為4D打印的常見活性材料。Fu團隊[7]合成了一種“剛?cè)岵钡挠洃浰z,將折疊彈性蛋白結構復刻于水凝膠材料,通過打印生成記憶特性的凝膠軟骨,將其植入兔子模型后發(fā)現(xiàn)壓縮后即刻復原,體內(nèi)再生出的骨組織接近于現(xiàn)有軟骨,取得了極好的效果。由于其材料的可控變化性,只需要微創(chuàng)切口將其送到病變部位,便可達到目的。4D打印技術的不斷進步,有望成為解決骨折不愈合、骨缺損等問題的新手段,很可能成為骨科醫(yī)學進步的重要組成部分。