當(dāng)骨折患者植入的金屬鋼板需要二次手術(shù)取出時(shí)，不僅要承受額外痛苦，還可能面臨感染風(fēng)險(xiǎn)。而生物可降解 3D 打印植入物的出現(xiàn)，為這一困境提供了新思路 —— 它能在完成支撐修復(fù)任務(wù)后，逐漸在體內(nèi)降解為無害物質(zhì)，無需二次手術(shù)。目前，這類植入物已在骨修復(fù)、軟骨再生等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但材料性能與人體環(huán)境的匹配仍是亟待突破的難點(diǎn)。本文將系統(tǒng)解析生物可降解材料在 3D 打印醫(yī)療植入物中的應(yīng)用現(xiàn)狀與核心挑戰(zhàn)。

一、主流生物可降解材料及3D打印適配性

生物可降解材料需同時(shí)滿足力學(xué)支撐與生物相容性雙重要求，目前應(yīng)用最廣泛的三類材料各有特點(diǎn)，與 3D 打印技術(shù)的適配性也存在差異。

（一）聚乳酸（PLA）及其共聚物

PLA 是最成熟的可降解醫(yī)用材料，通過玉米淀粉發(fā)酵制成，降解產(chǎn)物為二氧化碳和水，已被 FDA 批準(zhǔn)用于骨科植入物。其 3D 打印適配性體現(xiàn)在：

?打印工藝：適合熔融沉積（FDM）和光固化打印，F(xiàn)DM 打印時(shí)噴頭溫度 180-210℃，層厚 0.1-0.2mm 可獲得良好力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度 50-70MPa，接近松質(zhì)骨）。

?改性方向：純 PLA 脆性高（斷裂伸長率僅 3-5%），與聚己二酸丁二酯 - 共 - 對苯二甲酸丁二酯（PBAT）共混后，韌性可提升 3 倍，更適合承重部位植入物（如橈骨固定板）。

?臨床案例：2023 年國內(nèi)某醫(yī)院使用 PLA / 羥基磷灰石（HA）復(fù)合 3D 打印肋骨植入物，術(shù)后 6 個(gè)月 CT 顯示骨組織長入良好，植入物開始逐步降解。

（二）聚己內(nèi)酯（PCL）

PCL 降解周期長（2-4 年），柔韌性優(yōu)異（斷裂伸長率＞300%），適合軟骨、肌腱等需長期支撐的軟組織修復(fù)：

?打印特性：熔點(diǎn)低（60℃），適合低溫沉積打?。↙DM），避免高溫破壞細(xì)胞活性，常用于生物活性支架（如負(fù)載干細(xì)胞的軟骨植入物）。

?力學(xué)調(diào)控：通過 3D 打印路徑優(yōu)化（如 0°/90° 交叉打?。?，可使 PCL 支架的壓縮模量從 50MPa 提升至 150MPa，匹配軟骨組織的力學(xué)需求。

?局限性：初始強(qiáng)度低（拉伸強(qiáng)度僅 30MPa），需與羥基磷灰石（HA）、磷酸三鈣（TCP）等陶瓷顆粒復(fù)合增強(qiáng)。

（三）天然高分子材料

膠原蛋白、殼聚糖等天然材料生物相容性極佳，但力學(xué)性能弱，需通過化學(xué)交聯(lián)或復(fù)合改性才能用于 3D 打印：

?打印工藝：多采用噴墨打印或生物墨水?dāng)D出，如將膠原蛋白與海藻酸鈉按 7:3 比例混合，在 37℃、鈣離子溶液中交聯(lián)固化，形成多孔支架。

?應(yīng)用場景：主要用于皮膚修復(fù)和角膜支架，2022 年國外團(tuán)隊(duì)用 3D 打印膠原蛋白角膜植入物完成臨床試驗(yàn)，術(shù)后 12 個(gè)月患者視力恢復(fù)至 0.5 以上。

二、3D打印醫(yī)療植入物的核心應(yīng)用場景

生物可降解材料與 3D 打印的結(jié)合，解決了傳統(tǒng)植入物 “尺寸不匹配” 和 “二次手術(shù)” 的痛點(diǎn)，在三大領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。

（一）骨修復(fù)植入物

長骨骨折、骨腫瘤切除后的骨缺損修復(fù)是最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域：

?個(gè)性化匹配：通過 CT 掃描患者骨缺損部位，3D 打印的 PLA/HA 復(fù)合支架可實(shí)現(xiàn) 100% 解剖學(xué)匹配，如股骨遠(yuǎn)端缺損修復(fù)中，植入物與骨斷端間隙可控制在 0.1mm 以內(nèi)，促進(jìn)骨整合。

?多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用 0.5-1mm 孔徑的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（孔隙率 50-70%），既保證力學(xué)強(qiáng)度（壓縮強(qiáng)度＞30MPa），又為骨細(xì)胞生長提供通道。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，這種結(jié)構(gòu)的植入物在 8 周后骨長入率可達(dá) 65% 以上。

?藥物負(fù)載功能：在支架孔隙中負(fù)載萬古霉素（抗生素），可緩慢釋放（持續(xù) 2-4 周），降低骨科植入物感染率（從傳統(tǒng)金屬植入物的 3-5% 降至 1% 以下）。

（二）軟骨與肌腱修復(fù)

軟骨和肌腱無血管組織，自愈能力差，3D 打印可降解支架為細(xì)胞提供 “生長模板”：

?仿生結(jié)構(gòu)構(gòu)建：軟骨修復(fù)支架采用 PCL / 明膠復(fù)合材料，打印出類似天然軟骨的 “分層結(jié)構(gòu)”—— 表層致密（孔徑 50-100μm）防止?fàn)I養(yǎng)液流失，中間層多孔（孔徑 200-300μm）供軟骨細(xì)胞定植。

?力學(xué)梯度調(diào)控：肌腱修復(fù)支架通過改變纖維走向（從兩端垂直過渡到中間平行），實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能梯度變化（拉伸強(qiáng)度從兩端的 80MPa 降至中間的 30MPa），匹配天然肌腱的受力特點(diǎn)。

（三）藥物緩釋與組織誘導(dǎo)

可降解植入物兼具 “支撐” 與 “治療” 雙重功能，正在改變慢性病治療模式：

?腫瘤術(shù)后輔助治療：3D 打印的聚三亞甲基碳酸酯（TMC）支架負(fù)載化療藥物，植入腫瘤切除部位后，藥物可在 6-12 個(gè)月內(nèi)緩慢釋放，抑制腫瘤復(fù)發(fā)（動(dòng)物模型中復(fù)發(fā)率降低 50%）。

?糖尿病創(chuàng)面修復(fù)：殼聚糖 / PLA 復(fù)合支架負(fù)載胰島素，打印成創(chuàng)面形狀貼敷，既能保護(hù)傷口，又能局部控釋胰島素（持續(xù) 2 周），促進(jìn)糖尿病足潰瘍愈合。

三、亟待突破的三大核心挑戰(zhàn)

盡管應(yīng)用前景廣闊，生物可降解 3D 打印植入物仍面臨材料性能與人體環(huán)境不匹配的關(guān)鍵瓶頸。

（一）力學(xué)性能與降解速率的矛盾

理想的植入物應(yīng)在組織完全修復(fù)時(shí)完成降解，但目前多數(shù)材料難以實(shí)現(xiàn)這一平衡：

?降解過快導(dǎo)致支撐失效：PLA 在體內(nèi) 6-12 個(gè)月降解，而股骨骨折愈合需 12-18 個(gè)月，可能出現(xiàn) “二次斷裂”。例如某案例中，PLA 股骨固定板在術(shù)后 9 個(gè)月降解率達(dá) 60%，導(dǎo)致骨折部位再次移位。

?降解過慢引發(fā)慢性炎癥：PCL 降解周期長達(dá) 2-4 年，長期異物刺激可能導(dǎo)致局部炎癥反應(yīng)（發(fā)生率約 8%），表現(xiàn)為植入部位腫脹、疼痛。

?解決方案：通過材料復(fù)合（如 PLA/PCL 按 3:1 比例共混）和表面改性（噴涂羥基磷灰石涂層），可將降解周期調(diào)控在 12-18 個(gè)月，匹配骨愈合時(shí)間。

（二）生物相容性與免疫反應(yīng)

即使是 FDA 批準(zhǔn)的材料，仍可能引發(fā)個(gè)體特異性免疫反應(yīng)：

?酸性降解產(chǎn)物的影響：PLA 降解產(chǎn)生乳酸，局部 pH 值可降至 5.5 以下，刺激周圍組織產(chǎn)生無菌性炎癥（表現(xiàn)為 CD68 + 巨噬細(xì)胞浸潤）。

?材料殘留顆粒的風(fēng)險(xiǎn)：降解過程中產(chǎn)生的微米級顆粒（1-10μm）可能被巨噬細(xì)胞吞噬，引發(fā)持續(xù)免疫反應(yīng)，甚至形成肉芽腫（發(fā)生率約 3%）。

?改進(jìn)方向：在材料中添加堿性磷酸鈣（如 β-TCP），中和酸性降解產(chǎn)物；或采用 “自愈合” 材料設(shè)計(jì)，使降解顆粒尺寸控制在 50nm 以下（可被人體自然代謝）。

（三）3D 打印精度與規(guī)?；a(chǎn)的限制

醫(yī)療植入物需高精度個(gè)性化制造，但現(xiàn)有技術(shù)難以兼顧精度與效率：

?打印分辨率不足：FDM 技術(shù)的最小層厚為 0.1mm，無法再現(xiàn)骨小梁（50-100μm）等微觀結(jié)構(gòu)，影響骨整合效率。

?規(guī)模化生產(chǎn)成本高：個(gè)性化植入物每件生產(chǎn)成本約 5000-10000 元（金屬植入物僅 1000-2000 元），限制了普及應(yīng)用。

?突破路徑：發(fā)展雙光子聚合 3D 打印技術(shù)（分辨率可達(dá) 1μm），實(shí)現(xiàn)微觀仿生結(jié)構(gòu)；開發(fā)模塊化設(shè)計(jì)軟件，將個(gè)性化部分控制在 20% 以內(nèi)，降低生產(chǎn)成本。

四、未來方向：材料創(chuàng)新與技術(shù)融合

解決挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在于材料設(shè)計(jì)的仿生化與制造技術(shù)的智能化，以下三個(gè)方向最值得關(guān)注：

（一）動(dòng)態(tài)響應(yīng)型智能材料

?溫敏性形狀記憶材料：如 PLA / 聚乙二醇（PEG）共聚物，在體溫（37℃）下可恢復(fù)預(yù)設(shè)形狀，實(shí)現(xiàn) “微創(chuàng)植入 + 體內(nèi)展開”，減少手術(shù)創(chuàng)傷（切口尺寸可從 3cm 縮小至 1cm）。

?應(yīng)力響應(yīng)型降解材料：添加力學(xué)敏感基團(tuán)，當(dāng)組織愈合產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，材料降解速率加快；若愈合延遲，降解自動(dòng)放緩，實(shí)現(xiàn) “按需降解”。

（二）4D打印與生物活性整合

?時(shí)間維度的結(jié)構(gòu)演化：利用材料降解過程中的體積變化，設(shè)計(jì) 4D 打印支架，在體內(nèi)逐步形成與天然組織匹配的孔隙結(jié)構(gòu)（如術(shù)后 1 個(gè)月孔徑從 500μm 縮小至 200μm）。

?細(xì)胞與材料共打?。簩⒏杉?xì)胞與生物墨水同步打印，形成 “活支架”，術(shù)后可直接誘導(dǎo)組織再生（動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中骨愈合時(shí)間縮短 40%）。

（三）多尺度制造技術(shù)融合

?宏觀 - 微觀協(xié)同打印：采用 “大尺寸擠出 + 精細(xì)噴墨” 復(fù)合技術(shù)，宏觀上保證植入物尺寸精度，微觀上打印納米級生物活性涂層（如 RGD 肽涂層），提升細(xì)胞黏附率（從 30% 提升至 70%）。

?跨尺度力學(xué)調(diào)控：通過有限元分析優(yōu)化打印路徑，使植入物宏觀力學(xué)強(qiáng)度達(dá) cortical bone 水平（壓縮強(qiáng)度＞100MPa），微觀孔隙結(jié)構(gòu)滿足細(xì)胞生長需求。

五、臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵建議

推動(dòng)生物可降解 3D 打印植入物從實(shí)驗(yàn)室走向臨床，需建立多學(xué)科協(xié)同的研發(fā)體系。

1.材料篩選的標(biāo)準(zhǔn)化流程：建立 “體外降解測試 - 動(dòng)物模型評估 - 臨床前驗(yàn)證” 的三級篩選體系，重點(diǎn)檢測降解產(chǎn)物的細(xì)胞毒性（LD50＞100mg/mL）和全身安全性（肝腎功能指標(biāo)變化＜10%）。

2.個(gè)性化設(shè)計(jì)的合規(guī)性：在滿足個(gè)性化需求的同時(shí)，通過模塊化設(shè)計(jì)（如將植入物分為標(biāo)準(zhǔn)件和個(gè)性化部分）簡化審批流程，縮短臨床轉(zhuǎn)化周期（從傳統(tǒng)的 5-8 年縮短至 3-5 年）。

3.長期隨訪數(shù)據(jù)積累：建立植入物術(shù)后數(shù)據(jù)庫，重點(diǎn)記錄降解速率（通過 CT/MRI 定期監(jiān)測）、組織反應(yīng)（超聲檢查）和功能恢復(fù)情況（至少隨訪 5 年），為材料改進(jìn)提供依據(jù)。

生物可降解材料與3D打印的結(jié)合，正在重塑醫(yī)療植入物的設(shè)計(jì)理念 —— 從 “終身異物” 到 “臨時(shí)助手”，從 “機(jī)械支撐” 到 “主動(dòng)治療”。盡管面臨力學(xué)性能與降解速率的平衡難題，但通過材料復(fù)合改性、結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)和智能響應(yīng)技術(shù)的突破，未來 5-10 年，可降解 3D 打印植入物將在骨修復(fù)、軟骨再生等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；R床應(yīng)用，為患者帶來 “一次植入，終身受益” 的全新治療體驗(yàn)。