供稿人:趙峰 李滌塵 發(fā)布日期：2018-03-28
2017年11月份，美國(guó)發(fā)布了一份長(zhǎng)達(dá)56頁(yè)的《2017-2047年新興科技趨勢(shì)報(bào)告》，該報(bào)告是在美國(guó)近五年內(nèi)發(fā)表的52份科技趨勢(shì)研究調(diào)查報(bào)告（來(lái)自于政府機(jī)構(gòu)、咨詢機(jī)構(gòu)、智囊團(tuán)、科研機(jī)構(gòu)等）的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)近1000項(xiàng)科技趨勢(shì)的綜合對(duì)比分析，最終明確了10項(xiàng)最值得關(guān)注的科技發(fā)展趨勢(shì)。在其中之一的“先進(jìn)材料與制造方式”主題中，3D打印作為典型的新興制造方式被著力推薦，而3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，仍被認(rèn)為是不可忽略的科技創(chuàng)新點(diǎn)！今天我們就來(lái)梳理一下那些已經(jīng)或者可能與3D打印發(fā)生碰撞的生物高分子材料。
Len Czuba, 作為一家專門從事聚合物醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)化推廣的公司董事長(zhǎng)，有一份自己的熱門生物材料“備選名錄”，涉及了包括酮基聚合物、生物可吸收材料、環(huán)烯烴共聚物以及含氟聚合物在內(nèi)的多類醫(yī)用聚合物材料。他曾在MED DEVICE ONLINE 的專欄中寫道，“在一種新的器械打算做市場(chǎng)應(yīng)用之前，對(duì)原材料成本的考量，是諸多問(wèn)題中的重中之重?！?以典型的酮基聚合物聚醚醚酮PEEK為例，雖然材料的誕生已有25年的歷史，但PEEK作為醫(yī)用材料得以應(yīng)用卻是最近10年才開始的，其發(fā)展緩慢的主要原因就在于材料成本昂貴。
對(duì)材料成本的控制，一方面依賴于市場(chǎng)，一方面依賴于加工方式的選擇。比如PEEK供應(yīng)商Solvay以及Evonik也開始涉足醫(yī)用材料市場(chǎng)，就打破了Invibio公司在植入用PEEK材料的壟斷地位，一定程度上降低了新器械在原料方面的投入。
采用新的加工方式，比如3D打印，也是降低成本最行之有效的手段。仍以PEEK為例，最初的PEEK產(chǎn)品主要采用機(jī)加工的方式，通過(guò)切削形成零件。對(duì)于顱頜面修復(fù)物這類薄壁產(chǎn)品，切削量高達(dá)原材料的70%以上，造成產(chǎn)品最終售價(jià)是同類其他材料的3~5倍。接著，通過(guò)激光燒結(jié)PEEK粉末，3D打印的顱骨修復(fù)物獲得了美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局的認(rèn)可，但由于在打印過(guò)程中，粉末存在板結(jié)無(wú)法回收的問(wèn)題，這類產(chǎn)品在市場(chǎng)的售價(jià)仍居高不下。為了解決這一問(wèn)題，包括西安交通大學(xué)、吉林大學(xué)、英國(guó)南安普敦大學(xué)的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)，嘗試將PEEK塑膠粒子通過(guò)擠出成形變成線材，而后采用FDM（熔融沉積成形）打印零件。目前，這種打印方式成形的零件雖然沒(méi)有正式推出市場(chǎng)，但研究證明，該方式成形的零件不但大大降低了材料的浪費(fèi)，而且在力學(xué)性能、細(xì)胞毒性測(cè)試及臨床試驗(yàn)等方面，均獲得了良好的反饋。
圖1 FDM的PEEK零件隨著結(jié)晶程度的不同在拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的變化
采用新的加工方式，如3D打印，還能構(gòu)建傳統(tǒng)方式不能加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在誘導(dǎo)自體組織功能修復(fù)時(shí)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。以可吸收材料為例，PLA是最早用于3D打印的可降解材料之一，雖然其力學(xué)強(qiáng)度有限，但足以應(yīng)對(duì)氣管等非承重部位的早期支撐，進(jìn)而為新組織的長(zhǎng)入提供一定的生長(zhǎng)期。目前，可吸收材料的打印還向著精細(xì)化打印的方向發(fā)展。通過(guò)構(gòu)建微米及納米級(jí)的微結(jié)構(gòu)，可吸收的生物材料可以一定程度上模擬細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境及適用于組織培養(yǎng)的細(xì)胞外基質(zhì)，從而誘導(dǎo)細(xì)胞分化。比如，通過(guò)3D打印將藥物封裝在PCL的微結(jié)構(gòu)中，可以達(dá)到藥物緩釋的目的；在PCL中加入碳納米管或羥基磷灰石納米顆粒，再通過(guò)3D打印形成具有漸變結(jié)構(gòu)的多孔支架，可以用于骨組織工程修復(fù)。
圖2 （a）作為緩釋藥物載體的PCL；（b）細(xì)胞附著于PCL組織工程支架
3D打印的發(fā)展，不僅僅是技術(shù)本身的進(jìn)步，裝備的更新，還需要依靠打印材料的推陳出新，更需要產(chǎn)業(yè)的助力。雖然目前能夠利用3D打印實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工的醫(yī)用高分子材料仍頗受局限，但相信隨著三者的協(xié)同發(fā)展定能為人類的健康保駕護(hù)航。