1、3D 打印羊椎骨粉、聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石、聚乙烯醇支架、 羊椎骨粉、聚乙烯醇无孔骨板的性能比较中国组织工程研究 第 20 卷 第 52 期 20161216 出版Chinese Journal of Tissue Engineering Research December 16, 2016 Vol.20, No.52www.CRTER.org研究原著3D 打印羊椎骨粉 /聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的性能比较周琦琪，韩祥祯，宋艳艳，吕明凡，胡 杨，何惠宇 (新疆医科大学第一附属医院口腔修复科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐2市 830054；新疆
2、财经大学金融学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830012)引用本文：周琦琪，韩祥祯，宋艳艳，吕明凡，胡杨，何惠宇. 3D 打印羊椎骨粉/ 聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇1112111支架、羊椎骨粉/ 聚乙烯醇无孔骨板的性能比较J. 中国组织工程研究，2016，20(52):7851-7857.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.52.014 ORCID: 0000-0003-1918-579X(何惠宇)文章快速阅读：文题释义：羊椎骨粉/ 聚乙烯醇支架：羊椎骨粉作为天然的骨质材料，具有其他无机材料所不可比拟的生物相容性和骨传导特性。聚乙烯醇水凝胶是一
3、种在组织工程中应用广泛的高分子材料，作为黏结剂无毒且易降解，机械性能良好，吸水量大，生物相容性好。实验以天然绵羊脊柱松质骨为原料，通过选择化学试剂浸泡法、物理高温煅烧法处理，去除羊松质骨中易引起免疫反应的各种异种抗原成分，制成骨粉，以备与聚乙烯醇水凝胶混合，制成羊椎骨粉/聚乙烯醇组织工程骨支架。支架微孔结构：支架材料是否能良好发挥其材料性能，合适的微孔结构关是键。孔隙过大易造成支架力学性不良，难以应用于例如牙槽骨等力学要求较高的功能区域；孔径过小会导致新生细胞及组织难以长入。已有研究证实，最小孔径为 100-150 m ，即可满足组织再生，并发现支架材料的孔径在 300-600 m 间，最有利
4、于新骨长成。摘要背景：随着 3D 打印技术的推广，3D 打印组织工程骨支架成为颌骨缺损修复的新方向。目的：对比 3D 打印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的理化与生物性能。方法：利用 3D 打印技术，分别打印出羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石/ 聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/ 聚乙烯醇无孔骨板，进行孔隙率、扫描电镜、吸水率及压缩力学性能测定；将 3 种支架分别与骨髓间充质干细胞共培养 1，4，7 d，采用 CCK-8 法检测细胞增殖。结果与结论：扫描电镜观察：纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇支架孔隙规则，网状结构清晰，孔隙间
5、存在广泛交通，连续性好；羊椎骨粉/ 聚乙烯醇无孔骨板没有明显孔隙，但表面有大小不一微孔，材料致密，分布均匀；孔隙率：纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架孔隙率低于羊椎骨粉/聚乙烯醇支架(P 0.05)；吸水率：在不同时间点，纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架羊椎骨粉/聚乙烯醇支架羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板(P 0.05)；压缩力学性能：羊椎骨粉/聚乙烯醇支架的韧性高于纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架，低于羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板；细胞毒性：羊椎骨粉/聚乙烯醇支架的细胞增殖活性高于其余两组支架(P 0.05)；结果表明： 3D 打印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架具有良好的物理及化学性能。 关键词：生物材料；骨生物
6、材料；组织工程骨；3D 打印；羟基磷灰石；羊椎骨粉；聚乙烯醇主题词：羟基磷灰石类；细胞毒性试验，免疫；组织工程ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH周琦琪，女，1989 年生，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市人，新疆医科大学在读硕士，主要从事口腔修复学及组织工程研究。通讯作者：何惠宇，主任医师，教授，硕士、博士生导师，新疆医科大学第一附属医院口腔修复科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830054中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号 :2095-4344 (2016)52-07851-07 稿件接受：2016-10-057851周琦琪，等. 3D 打
7、印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石 /聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的性能比较 Zhou Qi-qi, Studying formasters degree,Department ofProsthodontics, the FirstAffiliated Hospital ofXinjiang MedicalUniversity, Urumqi 830054,Xinjiang UygurAutonomous Region,ChinaCorresponding author:He Hui-yu, Master, Chiefphysician, Professor,Doctora
8、l supervisor,Department ofProsthodontics, the FirstAffiliated Hospital ofXinjiang MedicalUniversity, Urumqi 830054,Xinjiang UygurAutonomous Region,Chinawww.CRTER.org 基金资助： 新疆维吾尔自治区科技厅科技支疆项目(201291173) Performance comparison of 3D printing sheep vertebral bone meal/polyvinyl alcohol scaffold, nano-hy
9、droxyapatite/polyvinyl alcohol scaffold and sheep vertebral bone meal/polyvinyl alcohol nonporous bone plate Zhou Qi-Qi1, Han Xiang-zhen1, Song Yan-yan1, Lv Ming-fan2, Hu Yang1, He Hui-yu1 (1Department of Prosthodontics, the First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xi
10、njiang Uygur Autonomous Region, China; 2Financial institute, Xinjiang University of Finance Economics, Urumqi 830012, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China) Abstract BACKGROUND: With the promotion of 3D printing technology, 3D printing scaffolds for bone tissue engineering have become the new idea
11、s for jaw bone repair. OBJECTIVE: To compare the physical and biological properties of sheep vertebral bone meal/polyvinyl alcohol (PVA) scaffold, nano-hydroxyapatite (nHA)/PVA scaffold, and sheep vertebral bone meal/PVA nonporous bone plate. METHODS: 3D printing technology was used to print sheep v
12、ertebral bone meal/PVA scaffold, nHA/PVA scaffold, and sheep vertebral bone meal/PVA nonporous bone plate. Porosity, morphology, water absorption rate and mechanical properties of different scaffolds were detected. Three kinds of scaffolds were all used to culture bone marrow mesenchymal stem cells,
13、 and cell proliferation ability was detected using cell counting kit-8 at 1, 4, 7 days of culture.RESULTS AND CONCLUSION: Under scanning electron microscope, the sheep vertebral bonemeal/PVA scaffold and nHA/PVA scaffold exhibited regular and interconnected pores with good continuity and clear netwo
14、rk structure; the sheep vertebral bone meal/PVA nonporous bone plate had no obvious pores; however, it had dense and evenly distributed micropores with different sizes on its surface. The porosity of nHA/PVA scaffold was lower than that of the sheep vertebral bone meal/PVA scaffold (P 0.05). The wat
15、er absorption rate was highest for the nHA/PVA scaffold followed by the sheep vertebral bone meal/PVA scaffold and the sheep vertebral bone meal/PVA nonporous bone plate (P 0.05). Incontrast, the scaffold toughness was highest for the sheep vertebral bone meal/PVA nonporous bone plate, followed by t
16、he sheep vertebral bone meal/PVA scaffold and nHA/PVA scaffold. In addition, the cell proliferation activity of cells cultured on the sheep vertebral bone meal/PVA scaffold was significantly higher than that cultured on the other two kinds of scaffolds. Taken together, the 3D printing sheep vertebra
17、l bone/PVA scaffold has good physical and chemical performance.Subject headings: Hydroxyapatites; Cytotoxicity Tests, Immunologic; Tissue EngineeringFunding: the Scientific Support Program for Xinjiang Uygur Autonomous Region, China, No.201291173Cite this article: Zhou QQ, Han XZ, Song YY, Lv MF, Hu
18、 Y, He HY. Performance comparison of 3D printing sheep vertebral bone meal/polyvinyl alcohol scaffold, nano-hydroxyapatite/polyvinyl alcohol scaffold and sheep vertebral bone meal/polyvinyl alcohol nonporous bone plate. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(52):7851-7857.0 引言 Introduction近年来，颌骨缺损
19、修复方法除了自体骨、人工骨替代材料之外，组织工程骨的应用也愈加广泛。随着组织工程技术的发展，各种支架材料均展出现替代自体骨的优良生物性能。3D 打印技术因其高精度的生物工程化预制优势，使构建复杂形态的组织工程颌骨支架成为了可能。其可根据患者不同大小、形态和体积的颌骨缺损，预成个性化支架。因 3D 打印技术较常规的铸造等方法具有显著优势，使其成为近年来组织工程骨研究的新方向。7852 321实验以天然绵羊脊柱松质骨为原料，通过选择化学试剂浸泡法、物理高温煅烧法处理，去除羊松质骨中易引起免疫反应的各种异种抗原成分，制成骨粉，以备与聚乙烯醇水凝胶混合，制成羊椎骨粉/聚乙烯醇组织工程骨支架。聚乙烯醇弹
20、性高，易应用于生物医学领域，用它作为生物材料，易于成型、无毒副作用，并且生物相容性良好，越来越引起人们的关注。通过检测，对羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/ 聚乙烯醇无孔骨板 3 种材料的孔隙率、微观电 P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org周琦琪，等. 3D 打印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石 /聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的性能比较www.CRTER.org镜观察、吸水率、细胞毒性进行分析，旨在初步探索 3 种不同 3D 打印组织工程骨支架材料的微观空间结构及机械生物性能，为后期进一步
21、体内降解及动物实验及临床应用提供参考。1 材料和方法 Materials and methods1.1 设计 观察性实验。1.2 时间及地点 实验于 2015 年 10 月至 2016 年 1 月在新疆医科大学第 一附属医院医学研究中心完成。 1.3 材料 市售成年羊椎骨；甲醇(分析纯) ；氯仿( 分析纯 )；体积分数 30%过氧化氢溶液(分析纯)；0.09 mol/L 焦磷酸钠溶液(分析纯 )；粒径 20 nm 纳米级羟基磷灰石( 南京埃普瑞纳米材料公司)；聚乙烯醇(分析纯)；电子天平(Sartorius BSA124S)(新疆医科第一附属医院提供)；茂福炉(AX-4-10，天津爱鑫公司)；
22、JEOL-JSM-6390LV(日本)扫描电子显微镜(新疆医科大学电子显微镜室提供)；三维打印成型机(新疆大学提供)；微机控制电子万能试验机(济南方辰仪器设备有限公司)；SD 大鼠骨髓间充质干细胞由新疆医科大学第一附属医院动物中心提供。 1.4 实验方法羊椎骨粉的制备：取二三岁羊椎骨，去除皮质及软组织，仅保留椎体松质骨，荡洗后放入体积分数 30%双氧水 4 浸泡 24 h；体积分数 75%乙醇冲洗，放入甲醇与氯仿体积比为 1：1 浸泡液， 4 浸泡 24 h；体积分数 75%乙醇及双氧水重复冲洗，室温 (25 )晾干；浸入 0.09 mol/L 焦磷酸钠溶液，70 水浴 12 h，取出自然干燥
23、；放入茂福炉升温至 1 100 ，持续煅烧 1 h，自然冷却后取出。经研磨仪得粉末，过 300 目标准筛，制得羊椎骨粉。羊椎骨粉/ 聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的制备：根据课题组前期研究，使用 15%聚乙烯醇溶液，称取 3 组 15 g 聚乙烯醇颗粒，分别与 100 mL 超纯水混合，90 水浴加热直至溶解，震荡排除气泡，制得 15%聚乙烯醇凝胶。分别将纳米级羟基磷灰石、羊椎骨粉与聚乙烯醇溶液以量筒称量，粉末敦实，按照体积比为 11 与 1.21 与 1.21混匀，装入 3D 打印成型机，使用 G 代码编程及调整打印喷头控制支架孔径，打印出 5 mm
24、5 mm2 mm 的羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/ 聚乙烯醇无孔骨板4。 1.5 主要观察指标支架超微形态结构观察：各组取 5 块样品，表面喷ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH金，使用 JEOL-JSM-6390LV(日本)扫描电子显微镜观察表面的超微形态结构，并随机选择样品表面不同区域，采集图像。支架孔隙率测定：孔隙率的测定，根据项目组前期研究者崔杰及许慧芬等5-6的研究，使用 Photoshop 软件分析法，将羊椎骨粉/聚乙烯醇支架与纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架的扫描电镜照片在软件中打开，使用直方图(hi
25、stogram)计算功能，分别统计样品表面孔隙所占象素数 p(pixel)和样品表面所占总象素数 P，采用公式= p/P100%，选取不同视野范围多次统计，取平均值。羊椎骨粉 /聚乙烯醇无孔骨板没有明显孔隙，不列入计算范围。支架吸水率测定：各组取 5 块样品，用电子天平称得各组材料吸水前质量 K0，放入 5 mL 装有蒸馏水的 EP 管中，浸泡0.5，1，2，24，48 h，每个时间点取出各组 5 个样本，吸去表面多余的水分后称质量，即得到支架和内部水分的总质量 K1，检测试支架吸水率。吸水率(water absorption，Wa)计公式如下：Wa=(K1-K0)/K1100%。支架压缩力学
26、性能检测：挑选各组样品中形态标准者，随机选取 5 块样品，分别平放于微机控制电子万能试验机加载平台上，启动并施加垂直压力，加载速度为 1 mm/min，观测其应力-应变实时曲线图，检测其最大形变、最大抗压强度等力学数据。材料细胞毒性检测：将 3 组材料清洗、干燥、消毒，移入 24 孔板中备用。待第 2 代 SD 大鼠骨髓间充质干细胞融合至 80%时，制备细胞悬液，经细胞计数，以 2107L-1的细胞浓度接种于含有 3 组材料的 24 孔板中。在接种培养的第1，4 ，7 天，PBS 轻柔漂洗后转移到新 24 孔板中。避光条件下加入新鲜配制的 CCK-8 检测液(培养液和 CCK-8 混合比例为
27、101)，置细胞培养箱中避光孵育 2 h，在酶联免疫检测仪 450 nm 波长下测吸光光度(A 值)。 1.6 统计学分析 使用 SPSS 17.0 统计软件进行统计学分析。所得计量资料先行方差齐性检验，再以 x_s 表示，采用方差进行多组样本均数比较，得出 P 值以 =0.05 为检验水准，判断差异是否有统计学意义。2 结果 Results2.1 支架超微形态结构观察结果 扫面电镜显示，纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架及羊椎骨粉/ 聚乙烯醇支架孔隙近似正方形，孔隙规则，网状结构清晰，孔隙间存在广泛的交通，连续性好，层与层之间搭接良好；纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架孔径范围 330-500 m，
28、 7853周琦琪，等. 3D 打印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石 /聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的性能比较 www.CRTER.org纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架A 值1 d 4 d 7 d 图 1 不同支架材料的电镜扫描结果(50)Figure 1 Scanning electron microscope observation ofdifferent scaffolds (50)图注：图中 A 为纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架，B 为羊椎骨粉/聚乙烯醇支架，C 为羊椎骨粉/聚乙烯醇骨板。纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架及羊椎骨粉/聚乙烯醇支架孔隙近似正方形，孔隙规则，
29、网状结构清晰，孔隙间存在广泛的交通，连续性好，层与层之间搭接良好；羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板没有明显的孔隙，但表面具有大小不一微孔，材料致密，分布均匀。图 3 不同支架材料表面骨髓间充质干细胞的增殖Figure 3 Cell proliferation of bone marrow mesenchymal stem cells cultured on different scaffolds图注：与其余两组比较，aP 0.05；与纳米级羟基磷灰石 /聚乙烯醇支架比较，bP 0.05。A应力(MPa)应力(MPa)BC应变(%)应力(MPa)图 2 不同支架材料的应力-应变曲线Figure 2 S
30、tress-strain curves of different scaffolds应变(%) 应变(%)图注：图中 A 为纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架，B 为羊椎骨粉/聚乙烯醇支架，C 为羊椎骨粉/聚乙烯醇骨板。表 1 各种支架材料吸水率的比较 (xs，n=5 ，%)Table 1 Water absorption rate of different scaffolds_时间 0.5 h 1 h羊椎骨粉/ 聚乙烯醇支架* 28.190.99 29.940.97 31.420.38 26.191.16 23.840.74纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇* 34.753.10 42.753.19 4
31、4.513.66 48.263.38 48.583.17羊椎骨粉/ 聚乙烯醇无孔骨板* 18.060.13 20.590.48 23.731.49 34.3210.43 30.271.32F 99.89 163.30 105.05 167.95 200.44P 0.05 0.05 0.05 0.05 0.052 h24 h 48 h表注：*表示此方法测定条件下的 3 组数据经 SPSS 17.0 软件 Levene检验方差齐性，P 0.05，可认为各组在同一检测法下具有方差齐性。羊椎骨粉/ 聚乙烯醇支架孔径范围 240-600 m，而羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板没有明显的孔隙，但表面具有大小不一
32、微孔，材料致密，分布均匀。相同倍数显示，纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架表面颗粒明显小于羊椎骨粉/ 聚乙烯醇支架，但由于羊椎骨粉/聚乙烯醇支架及羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板材料颗粒大，所以其表面微孔数大于纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架，见图 1。 2.2 支架孔隙率测定结果 纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架及羊椎骨粉/ 聚乙烯醇支架的孔隙率分别为7854(33.354.60)%、(49.438.21)%，将测定所得的平均孔隙率整理，设定检验水准 =0.05 水准。实验方法测定条件下的数据经 SPSS 17.0 软件Levene 检验方差齐性， P 0.05，可认为各组在同一检测法下具有方差齐性；同一
33、测定方法条件下，采用单因素方差分析检测得出 F=37.93，P 0.05，说明各组间孔隙率差异不全相同。2.3 支架吸水率测定结果 将所得数据进行整理，采用单因素方差分析，分别比较 3 组材料每个时点的吸水率，设定检验水准 =0.05 水准，结果见表 1。P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org周琦琪，等. 3D 打印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石 /聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的性能比较www.CRTER.org数据显示，在不同时间，3 组材料的吸水率有显著差异；在0.5，1，2 h 时间点，吸水率纳米级羟基磷灰石/聚乙
34、烯醇支架羊椎骨粉/聚乙烯醇支架 羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板；24 h 后，因在蒸馏水中开始溶解，质量减少，故测定羊椎骨粉/聚乙烯醇支架吸水率减少；而在 24-48 h 之间，纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架吸水率变化范围很小，说明其在 48 h 左右吸水率趋近饱和。 2.4 压缩力学性能检测结果 采用非金属材料压缩实验观测 3 组样本的应力-应变曲线，见图 2。最大加压 200 MPa 时，羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的应变分别为25%、30%、24.5% 。当应变同为 20%时，各组承受的应力，羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板羊椎骨粉/聚乙烯醇支
35、架NHA/聚乙烯醇支架。比较应变值同为 20%时各组曲线斜率，发现羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔支架羊椎骨粉/聚乙烯醇支架 纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架，提示羊椎骨粉/聚乙烯醇架材料的韧性比纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架高。各组在最大仪器所能施加的最大加压 200 MPa 时均产生形变，但由于支架高度仅为 2 mm，故形变量并不明显，其中形变量羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板羊椎骨粉/聚乙烯醇支架纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架，提示各组支架的抗压形变能力为：羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板羊椎骨粉/聚乙烯醇支架纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架最强。 2.5 材料细胞毒性检测结果 骨髓间充质干细胞在 3 种材料表面
36、的增殖呈时间依赖性，随培养时间延长细胞数目明显增加，羊椎骨粉/聚乙烯醇支架组表面活细胞数量明显高于其他两组(P 0.05)；培养 1，4 d 后，纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架材料表面的细胞数略高于羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板组，但这两种材料表面的细胞增殖无明显差异(P 0.05)；培养 7 d 后，羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板组表面活细胞数量明显低于其他两组(P 0.05)，见图 3。3 讨论 Discussion使用 3D 打印构建个性化组织工程骨，在近几年取得了一系列令人惊喜的成果。研究表明，理想的骨组织工程支架材料应具备以下特性7-13：良好的生物相容性和细胞相容性；体内降解速率合适；表面
37、无细胞毒性，且活性应有利于细胞有效黏附；有高孔隙率的结构以保存和促进细胞功能；有特定的生物活性，能介导细胞间信号传导、诱导新骨形成等。ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH羊椎骨粉作为天然的骨质材料，具有其他无机材料所不可比拟的生物相容性和骨传导特性14。羊椎骨在新疆地区有广泛来源，特有的地区优势使羊椎骨可作为异种骨支架材料制备的原材料，供骨来源广泛。纳米级羟基磷灰石可作为成骨细胞、血管及神经生长的支架，具备良好的细胞黏附、支架功能，可促进骨组织再生15-16。实验结合地区优势选择了羊椎骨作为原材料，并使用纳米级羟基磷灰石作为对照17-18。经过化学
38、处理脱脂脱蛋白后进行高温煅烧处理19-20，进而经电子显微镜扫描、孔隙率测定、吸水率测定、细胞毒性等方法检测它们的理化性能。聚乙烯醇水凝胶是一种在组织工程中应用广泛的高分子材料，作为黏结剂无毒且易降解21。聚乙烯醇机械性能良好，吸水量大，生物相容性好，在生物医学领域有广泛应用22-32。支架材料是否能良好发挥其材料性能，合适的微孔结构关是键。孔隙过大易造成支架力学性不良，难以应用于例如牙槽骨等力学要求较高的功能区域；孔径过小会导致新生细胞及组织难以长入。有学者认为，正常生理骨的骨松质孔径应为 200-400 m ，成骨细胞静态时直径应为 20 m 左右，附着时直径约 30 m，由此可知成骨细胞
39、迁移的最小孔径为100 m31。已有研究证实，最小孔径为 100-150 m ，即可满足组织再生，并发现支架材料的孔径在 300-600 m 间，最有利于新骨长成32；当孔隙率超过 30%时，孔隙之间相互连通，新生组织可长入孔内，相互结合，形成新骨，且孔隙率越高，越有利于成骨细胞在支架的黏附33。3D 打印较常规方法，能更好满足孔隙之间的相互连通。实验测定羊椎骨粉/聚乙烯醇支架的孔径均在 240-600 m ，孔隙率在(49.43 8.21)%，可实现细胞进入材料并进行黏附生长。由于颌骨需承担咀嚼力，所以不仅要求支架材料具有一定的孔隙率，也需要材料具有良好的力学性能，且材料应与周围组织的力学性
40、能相似34。实验通过万能力学测试仪测试，发现羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的抗压性能及韧性最好，但由于其内部没有明显孔隙，不利于成骨细胞进入附着，所以不适合作为骨缺损的修复材料。而羊椎骨粉/聚乙烯醇支架不论在型变量还是韧性的对比中，均体现出优势。羊椎骨粉的主要成分为羟基磷灰石及少量的 -磷酸三钙35-36，成分与人骨成分相似，通过与聚乙烯醇复合，提高其力学性能。细胞生物活性是检测组织工程骨材料是否合适的关键。生物工程材料应用于体内，首先要求材料对机体7855周琦琪，等. 3D 打印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石 /聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/聚乙烯醇无孔骨板的性能比较 www.CRTER.o
41、rg没有毒性，不能给机体带来额外损害。实验使用的 CCK-8 法是一种快速高灵敏度的细胞毒性检测方法，对细胞没有杀伤，误差小于传统 MTT法。体外实验结果显示羊椎骨粉/聚乙烯醇支架、纳米级羟基磷灰石/聚乙烯醇支架、羊椎骨粉/ 聚乙烯醇无孔骨板均无急性毒性、无刺激性和无细胞毒性37。可以看出羊椎骨粉经过化学浸泡和物理煅烧后，可彻底消除其抗原性，不会产生免疫排斥反应，细胞相容性和生物安全性好。综上所述，实验初步验证了 3D 打印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架具有良好的力学性能及生物相容性，临床应用前景广阔，为使用 3D 打印这项技术重建骨缺损这一新方向奠定了一定的科学基础。3D 打印羊椎骨粉/聚乙烯醇支架
42、的物理化学性能符合骨组织工程支架材料的要求，并且优于传统材料，其作为组织工程骨研究中的新亮点，具有巨大的临床应用价值。实验为后期体内降解实验提供了依据，能否通过体内检测，其组织相容性等仍需动物实验来进一步验证。作者贡献：周琦琪、韩祥祯进行实验设计，实验实施为周琦琪、宋艳艳、韩祥祯，实验评估为韩祥祯，资料收集为吕明凡，周琦琪、韩祥祯成文，何惠宇、胡杨审校。利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。 伦理问题：未涉及伦理冲突内容。文章查重：文章出版前已经过 CNKI 反剽窃文献检测系统进行 3 次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家审核，符合本刊发稿宗旨。作者声明：周琦琪对于研究和撰写的论
43、文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库 )记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 参考文献 References1 胡堃,刘斌.骨移植材料发展趋势J.生物骨科材料与临床研究,2010,7(3):32-38.2 于强,田京.构建骨组织工程支架中应用的 3D 打印技术J.中国组织工程研究, 2015,19(30):4870-4875. 3袁景,甄平, 赵红斌.高性能多孔 -磷酸三钙骨组织工程支架的 3D 打印J.中国组织工程研究, 2014,18(43):6914-6921. 4 马文
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