摘要
3D 打印技术已被广泛应用于艺术、工程、建筑等多个领域的复杂几何形状物体的可重复制造。随着技术的发展，近年来其在再生医学及组织工程领域的应用也越来越多，包括皮肤、心脏、肝脏、骨、软骨、肌肉等各种组织器官的再生。由于骨及软骨独特的物理结构及组织周围微环境，一直是3D打印技术的应用热点方向。目前对于3D打印技术在骨及软骨组织工程中的应用研究的主要趋势是结构、材料以及打印技术。但这些研究往往聚焦于其中一个方面，涉及3D打印整个环节的系统性研究较少，也使得这一技术与真正应用于临床疾病治疗仍有较大差距。因此，本课题就3D打印技术在骨与软骨组织工程中的各个环节均进行了探索。首先评价了通过隐式函数构建的3D打印多孔结构在骨修复及软骨保护方面的作用。随后设计了可用于骨及软骨组织工程支架构建的生物墨水。最后通过多自由度机器人辅助对动物模型中的骨及软骨损伤进行了原位3D打印修复。本文的主要工作和研究成果如下：（1）对 3D 打印 TPMS 多孔支架在骨及软骨组织工程中的应用进行了系统研究。包括TPMS多孔支架的结构设计，力学特征的有限元仿真，3D打印成型及表面形貌和机械性能测试。发现通过这种设计方法构建的多孔钛合金支架杨氏模量能够降低至 10 GPa以下，孔隙率可接近50%，与皮质骨的力学参数较为接近。在动物体内植入5周后即可观察到良好的早期骨整合，支架孔隙内部可见大量新生骨组织长入。随后又用TPMS方法设计了孔隙率为40%左右的多孔半月板假体，并通过有限元仿真计算了关节腔内的载荷。发现这种结构能够减少作用于膝关节软骨上的剪应力和压应力峰值，且应力集中区域面积也相对减小。在 12 周的动物实验中可以发现多孔半月板假体移植侧的膝关节软骨磨损情况明显优于对照组。（2）设计了基于海藻酸钠-聚乙烯醇的互穿网络结构生物墨水和基于多肽-丙烯酰胺-透明质酸的双网络生物墨水，分别应用于骨及软骨组织工程。海藻酸钠-聚乙烯醇生物墨水在紫外光照射下可于10秒内快速成胶，且经冻融反应后杨氏模量达到6 MPa。多肽-丙烯酰胺-透明质酸生物墨水则表现出良好的韧性和耐压缩性能，压缩极限超过70%，压缩模量超过200 KPa。这两种生物墨水都具有良好的生物相容性和成型能力，并能在动物模型中表现出充分的成骨及成软骨能力。（3）通过三维扫描和 3D 打印技术在离体的骨和软骨损伤模型中完成了对病损区域的原位打印修复。通过三维模型比较技术对生物3D打印的精度进行检测，发现原位生物3D打印技术在三种模型中的误差均低于0.5mm，完全能够满足临床修复损伤的需求。随后引入了四自由度和六自由度机器人，采用激光标定技术分别对其进行了运动学参数的误差补偿和TCP精确标定，两种机器人的运动精度均获得显著提升。在大动物模型中进行了骨缺损的原位3D打印修复，可在12分钟内修复体积为1570 mm3的缺损区域，且在12周后达到70%的再生率。在小动物模型中进行了软骨缺损的原位3D打印修复，可在90 s内完成体积为78 mm3的软骨缺损修复。12周后原位3D打印组的修复效果与植入支架组的修复效果接近。
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