由外伤、骨肿瘤、骨折和骨质疏松等所导致的骨缺损严重地影响患者的生活质量。在生物骨移植无法满足实际需求的情况下,人造骨移植逐渐发展完善并有望取代生物骨移植。人造骨移植的关键问题涉及生物材料的组成选择、结构特征、生物性能和制造工艺等方面。在组成上,生物材料主要包含金属材料、陶瓷材料、高分子材料及其复合材料。人造骨移植在结构上必须具有个性化的外形、与缺损部位和骨组织的机械性能精准的匹配性,以及高的孔隙率、高孔连通性、合适的孔径和拓扑结构;而3D打印技术可以用于制造这些复杂结构的多孔支架。生物性能主要包括生物相容性、生物可吸收性或生物可降解性、免疫反应、生物活性、骨诱导、骨传导性和成血管化等。本文从生物材料的制备、支架的3D打印制造和支架的性能研究入手,形成“控形-控性”的系统研究,为3D生物打印研究及应用奠定了基础。具体研究内容如下: 首先,基于羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)、Beta-磷酸三钙(β-TCP)、壳聚糖(chitosan,CS)等材料特性,选定了浆料挤出方式的技术路线来制造复杂结构的多孔支架,搭建了基于浆料挤出的3D打印设备(SE-3DP),并选择了HA与海藻酸钠(sodiumalginate,SA)的复合材料作为研究对象。探究了两种方法(直接混合和原位复合)制备的SA与HA复合浆料的3D打印工艺和不同配比浆料下粘度,剪切应力和剪切速率之间的关系。为了判定该材料在骨修复领域的潜力,研究了两种方法制备的3D打印的实体结构和支架的抗压强度及原位复合法制备的支架材料浸泡后的抗压强度。HA和SA复合浆料具有剪切变稀的特性,这使得其非常适合于3D打印。原位复合法制备的HA和SA复合材料的抗压强度要高于直接混合法。从微观结构上看,原位复合法制备的支架具有较少的微观裂纹。虽然该支架材料在干燥状态具有较好的机械性能,但是其在水的环境下强度很快下降,因而该材料较难直接应用于承重骨缺损部位的修复。在这个部分所搭建的SE-3DP设备可以用于后续的研究。 其次,β-TCP拥有与骨相近的成分和以上的生物性能,在骨修复领域具有广阔的发展空间。但是,低强度和高脆性严重限制了其应用。为了提高3D打印制造的β-TCP支架的机械性能,将锂元素(Lithium,Li)掺杂到β-TCP中获得了Ca10Li(PO4)7(CLP)。对CLP的组成、微观结构、工艺和性能之间的关系进行了探究,并基于相对密度、显微组织、晶粒尺寸和裂纹行为确定了其最佳的烧结温度。还比较了致密结构和多孔支架的CLP和β-TCP的表面形态,抗压强度,收缩率和孔隙率。最后评估了支架的初步细胞毒性,矿化作用和体外降解性能。CLP的最佳烧结温度确定为1000℃。通过对成分,工艺和微观结构的调整,CLP抗压强度大约是β-TCP的3倍。孔隙率和孔径分布分别为30%-50%和300-400μm。通过对强度、生物相容性、孔隙度、孔分布和孔径的评估,3D打印制造的CLP支架在骨缺损修复和骨组织工程方面具有重大的应用潜力。 再次,为了获得Li元素在β-TCP中的最佳含量,研究了不同Li含量对3D打印β-TCP支架的机械性能、可降解性能、体外矿化性能和成骨性能的影响。探究了不同烧结温度对梯度含量Li元素掺杂的β-TCP抗压强度的影响,并在微观结构角度上对最佳烧结温度下的强度变化规律做出了解释;开展了支架的体外矿化特性、体外降解行为和初步的细胞毒性方面的研究;使用了碱性磷酸酶(alkalinephosphatase,ALP)和Ca2+定量检测分别来表征鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的早期成骨分化的程度和成骨分化后期矿化效应。另外,针对难以获得3D打印陶瓷支架良好的贯通性侧孔的难题,进行了4D打印的尝试来解决该问题。最高抗压强度对应的成分和烧结温度分别是Ca2.85Li0.3(PO4)2(L15)和1000℃。Li掺杂含量的增多促进了支架的体外降解和矿化效应。从rBMSCs的增殖,ALP活性和Ca2+定量的综合分析看,最佳的组分是L15。使用由挤出式3D打印与基于湿度响应材料结合成的4D打印初步解决了侧孔问题。综上,具有出色的机械性能、降解性能、矿化性能和促进rBMSCs增殖和分化的能力,3D打印L15支架在骨缺损修复和骨组织工程中具有巨大的前景。 最后,生物陶瓷支架具有较好的成骨性能,但血管化性能不足,因此对天然高分子材料在血管化方面进行了初步的研究。为了获得用于骨组织工程的复杂结构CS管,提供了两种基于挤出和3D打印的方法以及不同的酸溶液来制造CS管。进行了拉伸性能和初步的细胞毒性试验,以筛选出合适的酸溶液来溶解CS。使用SEM、FTIR和XRD对CS管的显微结构进行了研究。测试了CS的拉伸强度,杨氏模量和断裂应变,以评估其与软组织的机械匹配性。还研究了经过不同溶液浸泡后CS棒的拉伸性能和CS管的降解性能。通过3D打印,制备了结构复杂的CS管。根据拉伸性能和初步的细胞毒性,确定30wt.%的GA溶液是制备CS管的最佳溶液。CS浆料的剪切稀化的特性使其非常适合于3D打印。CS管与软组织的机械匹配性极佳,因此其可以适用于血管化网络的构建。通过SEM观察到CS微纤维沿一定方向表现出明显的分布。溶菌酶的存在对CS管的拉伸性能和重量损失有较大影响。3D打印制造的CS管具有与软组织的优秀的机械匹配性,出色的可降解性和生物相容性,在支架血管化和骨组织工程方面具有巨大的潜力。 聚焦在骨修复和骨组织工程方面目前所遇到的的一些问题,通过一系列材料组成、制备、工艺和性能的层层递进的研究,最终获得了多种可用于上述领域的3D打印多孔支架。