三维打印是一种低成本、高效益的生产方法，有助于改善目前皮肤修复材料产业成本高昂、利润放缓的趋势，并开发出性能更优秀的产品。常用于皮肤修复材料制备中的三维打印技术有熔融沉积成型技术和三维生物打印技术：其中熔融沉积成型技术具有设备简单轻巧的优点，但材料选择不足；三维生物打印技术可供选择的材料较多，但设备笨重且昂贵。近年对两种技术的研究均集中于材料的开发和应用上。本文详细介绍了熔融沉积成型技术和三维生物打印技术的原理、在伤口敷料和组织工程皮肤生产上的研究进展，以及三维打印在皮肤组织修复上的未来发展，包括容貌修复和仿生组织工程皮肤的研究，并对三维打印技术应用在皮肤组织修复领域的发展进行了展望。
引用本文： 林越威, 敖宁建. 三维打印技术在皮肤组织修复上的应用. 生物医学工程学杂志, 2018, 35(5): 805-810. doi: 10.7507/1001-5515.201711045 复制
引言
由于战争、灾祸、疾病等原因，皮肤出现严重且难以愈合的伤口，患者需要使用皮肤修复材料覆盖伤口，以保持伤口清洁卫生；吸收伤口渗出的血液和有毒物质，促进伤口更快更好地愈合。皮肤修复材料可分为皮肤替代材料和皮肤移植材料，皮肤替代材料包括纱布、伤口敷料等暂时性覆盖伤口的材料；皮肤移植材料则包括自体或异体皮肤移植、组织工程皮肤等终身替代受损皮肤的材料[1]。过去人们用纱布覆盖伤口，但是对伤口愈合的促进效果极微。1962 年英国科学家 Winter 提出的“湿性愈合理论”认为：伤口在潮湿环境中愈合的速度比干燥环境快，有利于清除坏死组织和毒素、促进血管形成和生长因子的作用，同时减轻伤口的痛楚[2-4]。所以，开始出现了新型伤口敷料的研究和生产。进一步研究显示伤口处于潮湿环境中的愈合速度是干燥环境的两倍[5]，临床研究发现湿润烧伤膏治疗烧伤患者的疗效显著[6]，近年更发展出湿性愈合的功能性敷料[7]，证明利用“湿性愈合理论”对伤口敷料的研发在治疗伤口的研究中具有极大的意义。其优点是换药次数大幅减少，加快患者康复，并降低医疗成本[8]。但是，新型伤口敷料存在生产周期长、生产成本高昂等缺点。以壳聚糖纤维敷料为例，其生产工艺流程包括纤维开松、梳理、水刺加固、烘干、卷取等繁琐的过程[9]。我国医用敷料产业在 2015 年有 6 个月的出口额同比均下滑，其中 11 月同比降幅 16.6 %，由于我国产业技术水平不高，企业议价能力较差，产品价格始终处于较低水平，如若不能较好地控制成本，未来行业利润增长将进一步放缓[10]。
对于较为严重——直径大于 4 cm 的全层皮肤损伤，皮肤完全失去自我修复能力，则需要利用皮肤移植材料覆盖保护伤口，并诱导细胞生长分化，再生成皮肤组织。皮肤移植材料可分为自体皮肤、异体皮肤和组织工程皮肤三种，而组织工程皮肤又可分为天然生物支架、人工合成支架和生物材料合成支架三种[11]。自体和异体皮肤存在供体不足、难以大批量生产的缺点。天然生物支架是直接使用动物组织如皮肤、羊膜等脱细胞制备成支架材料，来源短缺，且容易造成跨物种病毒感染；人工合成支架使用合成高分子材料制备成支架材料，可工业化生产制备；生物材料合成支架则使用从生物体提取的天然高分子材料制备成支架材料，来源较人工合成材料短缺，但治疗效果比人工合成材料好，鲜有跨物种病毒感染。皮肤移植材料在国内外市场上都有较多的产品，包括表皮替代、真皮替代和全皮替代等产品在临床上应用广泛，能有效再生成皮肤组织[12]。然而皮肤移植材料对生产环境、设备、运输、保存等要求较高，大大增加了其生产和应用的成本。因此，一些结构简单、成分明确、易于保存和运输的组织工程皮肤在市场上会有较大的优势[13]。可见对皮肤修复材料产业而言，控制成本是至关重要的一环。
近年来，三维打印技术开始被广泛应用于人工器官和组织工程等生物医学领域中，配合计算机建模可控制产物的孔率和孔径，有效满足医疗器械和组织工程支架生产的需要[14-17]。田晓红等[18]研究发现使用三维打印制备的组织工程支架培养大鼠脂肪源性干细胞，其细胞存活率和细胞活力都有所提高，表明三维打印技术在组织工程的研究上意义重大。利用三维打印技术进行生产的成本较传统生产方法低廉，同时适合大批量生产高复杂度的产品。如今国家正计划发展三维打印产业，目标为 2020 年实现产业年销售收入超过 200 亿元，年均增速在 30% 以上，并鼓励应用于航天、医疗等领域当中[19]。进一步而言，三维打印设备轻巧简单，可以在医院使用，也可以随救援队伍携带到灾难现场，随时随地按需要进行伤口敷料的制备，即时对伤者进行救援；并可结合医学成像技术，按患者的病灶形状需要，量身设计合适的植入物，广泛应用于骨科和牙科领域的临床测试[20]。三维打印技术应用于皮肤修复材料生产当中的优越性在于有效降低生产成本、减省复杂的生产工艺，且可以在需要使用时立刻进行快速生产，降低保存和运输带来的成本，提高经济效益。本文将对近年应用三维打印技术制备伤口敷料和组织工程皮肤的研究进行综述，并展望未来的应用和发展。
1 三维打印技术制备皮肤修复材料
三维打印技术是一种增材制造技术，通过计算机辅助设计软件设计出产品的三维模型，再把模型沿 z 轴划分成多个数百微米厚的层面，将三维模型变成一系列的二维层片，然后通过三维打印机以分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料，将连续的薄型层面逐层堆叠起来，最终制备得到产品实体形态的技术。相比传统生产技术，三维打印技术具备成本低廉、生产周期短的优点，且可以精准地进行大批量生产，适合应用于皮肤修复材料产业当中，从而有利于增加产业盈利，亦可降低患者的医疗开支[21]。从产业的角度对三维打印技术的要求包括：生产过程中不产生有毒有害物质、精准快速制备产物、产物具有恰当的物理和生物性能等。对于三维打印的产业和技术研发而言，材料的选择是最为重要的一环，由于三维打印技术对材料有要求，而能用于三维打印的材料性能有可能与目标性能相违背，因此找到合适的材料对三维打印的产业和技术研发来说是首先需要克服的难题，近年的研究也多集中于此。
使用三维打印技术制备皮肤修复材料最基本的要求是符合皮肤修复的需要，如吸水性、透气性、抗菌性、力学性能、生物相容性等，进一步而言，材料必须能够加入挤出机中熔融或者配成黏稠的溶液，被打印头挤出后快速固化并保持形状，以层层堆叠形成产物。较常用的材料包含壳聚糖、胶原蛋白、海藻酸钠、聚乙烯醇、聚氨酯等。本节将介绍较常用于皮肤修复材料制备的三维打印技术，即熔融沉积成型技术和三维生物打印技术。
1.1 熔融沉积成型技术
熔融沉积成型技术的原理是使用步进电机把丝状材料推送到打印头加热熔融，通过步进电机进一步推送产生压力，把材料挤压出打印头，并透过电脑控制热床和打印头移动，以打印出立体产物。熔融沉积成型技术的优点是设备轻巧简单，市场上已经存在不少桌面级的熔融沉积成型打印机产品，其价格低廉，一般为数千到一万人民币。但是，较适合用于熔融沉积成型技术制备的材料只有聚氨酯和聚乙烯醇，这两种材料在市场上已有打印耗材供应，可在桌面级熔融沉积成型三维打印机使用。由于材料种类有限，且多为疏水性材料，难以符合制备皮肤修复材料所需的要求。
应用熔融沉积成型技术制备皮肤修复材料的研究主要集中于开发新型材料上，而对材料加入生长因子或抗菌剂是较为重要的研究方向。由于熔融沉积成型技术需要对材料进行加热熔融，导致大部分有机的生长因子、抗菌剂等无法应用于该技术当中，而其中一种解决方法是在三维打印材料中加入无机固体相抗菌剂。Kim 等[22]把聚氨酯和质量为聚氨酯 1%～4% 的碳纳米管复合制备成丝状材料，应用于熔融沉积成型技术当中，打印在聚氨酯三维打印样品上，可作为压力传感器使用。他们对样品 x 轴、y 轴和 z 轴三个方向进行弯曲测试，测得样品 z 轴的弯曲变形较大，而 x 轴和 y 轴较小，整体力学性能较佳。碳纳米管具有抗菌效果，可作为固体相抗菌剂应用于三维打印敷料的制备当中，调控碳纳米管的含量和合适的产品设计可保障产品有较佳的力学性能，并能发挥抗菌效果。
另一个在熔融沉积成型材料中加入生长因子或抗菌剂的方法是应用低温熔融沉积成型技术（low-temperature deposition manufacturing），其原理是把液态的材料挤出到低温的空腔内固化成型，可使用多糖类、蛋白类等材料进行打印[23]。Hung 等[24]使用聚己内酯和聚己二酸丁二醇酯二醇与异佛尔酮二异氰酸酯反应合成生物降解性聚氨酯，再与透明质酸和生长因子 Y27632 及 TGFβ3 复合制备成打印材料，打印到–30℃的空腔内，产物具有良好的弹性，经过多次压缩依然可以恢复原来形状，并经过细胞和动物实验表明其具有促进细胞生长和组织修复的效果，适合作为皮肤修复材料使用。低温熔融沉积成型技术打破了熔融沉积成型技术必须在高温下进行的局限性，提供了一个使用熔融沉积成型技术打印含有机生长因子或抗菌剂材料的方法，然而低温熔融沉积成型技术的设备较一般熔融沉积成型技术复杂，较难制成桌面级仪器，因此设备的小型化和简单化将会是低温熔融沉积成型技术发展的一大难题。
近年亦有不少学者为满足三维打印制备皮肤修复材料的需求，开发出用于熔融沉积成型技术的材料和方法。Mohanty 等[25]使用聚乙烯醇打印出产品的模具，加入聚二甲基硅氧烷后用水把聚乙烯醇模具溶解去除，制备成多孔支架，细胞可在支架内生长，适合作为组织工程皮肤使用。该研究解决了熔融沉积成型可用材料不足的问题，且产物能保留三维打印整齐的孔洞结构，但是这种生产方法依然依赖于模具，且模具不能重复使用，存在浪费材料、生产周期延长的问题。
在材料开发方面，Muwaffak 等[26]使用聚己内酯作为三维打印材料，加入硝酸银、硫酸铜和氧化锌等抗菌剂，再使用熔融沉积成型技术打印成伤口敷料，有良好的抗菌效果，并可以配合三维扫描仪制备出与伤口形状吻合的伤口敷料。因为聚己内酯是一种熔点低、分解温度高的塑料，易于制成丝状材料，适合用于熔融沉积成型当中，而且材料安全无毒，可被人体降解吸收，因此近年经常被应用于骨组织工程支架的制备和研究中；然而聚己内酯是疏水性材料，制备的产物难以达到伤口敷料对吸水性和透气性的要求，因此必须对聚己内酯进行亲水改性才能应用于皮肤修复材料的制备当中。Cheng 等[27]对聚己内酯和聚乙二醇的端基进行改性，制备成聚己内酯-二丙烯酸酯和聚乙二醇-二丙烯酸酯，并混合不同分量的壳聚糖，用于光固化成型当中。该材料测得接触角为 20.2～38.0°，结果显示材料改性后亲水性有所提高，而熔点则维持在 44.6～54.8℃，表示材料经过改性后依然保持低熔点的优点，同时适合应用于熔融沉积成型技术制备皮肤修复材料，并提供了使用熔融沉积成型技术对壳聚糖等糖类材料进行加工的可能性。
糖类材料是常用于皮肤修复的天然材料，然而大部分多糖材料的熔点高于分解温度，导致难以进行熔融加工，更难以用于熔融沉积成型技术当中。单糖材料的熔点较低，可进行熔融加工，然而单糖材料脆性较大，难以符合皮肤修复材料对力学性能的要求。Bégin-Drolet 等[28]使用葡萄糖和蔗糖混合制成糖玻璃作为打印材料，并在打印头加入了一个空气冷却系统，使糖玻璃在打印后可以快速冷却成型，产物有较高的精度；为了增加材料的韧性，他们在打印成型的糖玻璃支架外面加入聚二甲硅氧烷水凝胶，提升材料的韧性并提供适合细胞生长的环境，从而适合作为皮肤修复材料使用。熔融沉积成型具有设备轻巧、操作简单等优点，然而由于材料选择甚少，特别难以满足皮肤修复材料的要求，导致该领域研究走向瓶颈。
1.2 三维生物打印技术
三维生物打印技术是特别为了解决生物医学产品使用三维打印技术生产的难题而开发的技术，可以使用生物医学上常用的材料，例如大部分多糖、蛋白、抗菌剂、生长因子等作为生物油墨（bioink），透过气动、活塞或螺杆把生物油墨挤出，由电脑控制打印成立体产品，并且可以连细胞一起进行原位打印，从而得到含有细胞的组织工程支架[29-30]。三维生物打印可分为喷墨挤压式生物打印（inkjet and extrusion based bioprinting）和光辅助生物打印（light-assisted bioprinting）两种。喷墨挤压式生物打印使用溶液作为打印材料，需要有一定的黏性，在打印头内被加压挤出后流动性较低方可层层堆叠成型，成型后需要喷洒固化剂或进行干燥使产品固化；光辅助生物打印使用光线照射使挤出成型的材料固化成型的技术，可以照射可见光或紫外线进行固化，也可以使用激光定点固化材料，而材料必须具有碳碳双键以进行自由基聚合反应而固化，得到的产品精度相对较高，可达到亚微米水平[31]。两者当中以喷墨挤压式生物打印较为常用。
对于皮肤修复材料而言，特别是生物打印制备组织工程皮肤，三维生物打印技术提供更多类型的材料选择，并由于可以原位打印细胞，提供了打印产物原位生长成毛孔、汗腺等皮肤附属器的可能性[32]。刘南波[33]复合了海藻酸钠、明胶、成真皮基质均浆、293T 细胞和汗腺专用培养基作为生物油墨，使用喷墨挤压式生物打印制备组织工程皮肤，经体外培养实验表明可以生长出汗腺样组织。该研究对组织工程皮肤而言是突破性的结果，然而该组织工程皮肤尚未经过动物实验和临床试验验证，是否能修复皮肤的全部功能仍是未知之数。
三维生物打印技术的材料选择较多，从生物提取的多糖、蛋白质等材料都可以作为生物油墨使用。孙凯等[34]从桑蚕丝中提取丝蛋白，从牛筋腱中提取胶原蛋白，复合制备成生物油墨，使用喷墨挤压式生物打印制备出组织工程支架，有良好的吸水性能，适合作为皮肤修复材料使用。Rodriguez 等[35]复合丝蛋白、明胶和甘油作为生物油墨，使用喷墨挤压式生物打印制备出组织工程支架，经动物实验表明有较佳的生物相容性。丝蛋白是常用于组织工程当中的生物材料，在自然界的蕴藏量较多，具有较好的生物相容性、降解性等优点，通过使用三维生物打印技术可以对丝蛋白产品进行快速成型生产，无疑是重大的突破。
除了从动物提取材料以外，还可以直接从人体内提取材料进行打印。Pati 等[36]从人体抽取脂肪组织进行脱细胞处理作为生物油墨，与聚己内酯一起进行喷墨挤压式生物打印，制备成乳房假体。这种技术同样适用于组织工程皮肤的制备当中，从患者皮肤中提取适当的组织和细胞，进行生物打印制备成组织工程皮肤再植入到受伤的皮肤上，可取得自体移植的效果而对患者产生的二次伤害较小，可达到个体化医疗。
三维生物打印技术使用的生物油墨一般在室温下为液体，在打印完成后依然具有流动性，容易在打印后出现变形，因此打印后对产品进行固化是最为重要的一步，较常用的方法包括烘干、冷冻干燥、喷洒交联剂、光交联等。Bootsma 等[37]复合海藻酸钠、碳酸钙、葡萄糖内酯、N,N-甲叉双丙烯酰胺、过硫酸铵和光起始剂-1173 作为生物油墨，使用光辅助生物打印制备软组织修复材料，在打印同时对产品照射紫外线使材料交联固化，产生互穿网络聚合物，产物具有较好的吸水性能和力学性能，适合作为皮肤修复材料使用。这方法可以有效地让挤出的生物油墨快速固化成型，然而大部分光交联剂都有细胞毒性，不适宜作为医疗产品使用，因此需要开发无毒的交联固化方法，以满足医疗产品的需要。谷龙[38]设计了一台专门用于打印皮肤修复材料的三维生物打印机，在打印机里加入了雾化装置，每打印一层立刻喷洒交联剂使材料固化，他们复合海藻酸钠、明胶和成纤维细胞作为生物油墨，使用喷墨挤压式生物打印制备组织工程皮肤，并对每一层喷洒氯化钙交联固化，产物具有良好的细胞相容性，经动物实验表明有促进伤口愈合的效果。氯化钙对人体无害，海藻酸钠被氯化钙交联后有良好的生物相容性，适合用作皮肤修复材料。三维生物打印技术是较为新型的三维打印技术，为生物医学产品的快速成型提供了全新的方法，然而设备价格较为高昂，一般需要数万到数百万人民币，而且较少有桌面级仪器，因此日后的研究应集中于桌面级三维生物打印机的开发。
2 三维打印技术应用于皮肤组织修复的发展前景
三维打印除了低成本、高效率以外，还可以精准地按患者病灶几何形状打印出适合的修复材料，不少学者研究使用三维打印技术打印人体器官，改善移植器官供体不足、大量患者无法得到器官移植的现状。器官打印可分为前处理（pre processing）、处理（processing）和后处理（post processing）三个部分。前处理包括应用医学成像技术对病灶进行立体成像，由电脑对影像进行处理生成标准模板库文件和 G 代码；处理包括打印机按 G 代码打印出产物所需的立体构象；后处理包括对产物进行体外细胞培养，使其生长成具有功能的器官并植入人体[39]。按这个方法除了可以制备出符合皮肤修复材料的物理和生物学要求的产品之外，还可以打印出符合患者伤口三维结构的产品，特别适合应用于面部皮肤创伤修复，可按照患者受伤毁容前面部的三维结构设计模型，打印出组织工程皮肤并植入到伤患处后按模型形状生长出新的皮肤，可达到鼻和耳廓形态的修复[40-43]。在芬兰有学者研究使用三维数字影像技术（three-dimensional digital imaging）对志愿者的面部三维结构进行记录，然后用 ZP150 粉末进行三维打印，制备用于面部移植材料的模型，可在 9～15 h 内制备出整个面孔的模型，成本约为 1 500 欧元[44]。这项技术为毁容患者提供了容颜恢复的可能性，然而所使用的 ZP150 粉末为石膏类材料，不适合用于皮肤修复，且所使用的面部三维结构模型来自志愿者而非患者本身，修复后容貌会有所改变，因此需要开发合适材料，并建立面部三维结构数据库，收集每个人面部的三维结构模型，并定期更新，让患者毁容后可使用自身面部三维结构模型进行修复，以达到个体化的容貌修复。
另一方面，借助三维打印技术进行仿生设计和生产，有可能实现以人工方法制备出与人体皮肤结构完全一致的仿生组织工程皮肤。已有文献报道使用三维打印技术设计并打印出模仿鱼鳞和穿山甲壳的产物，提升产物的力学性能[45]，这种技术应用在组织工程皮肤的制备当中，可通过设计出包括毛孔、汗腺等皮肤附属器的三维模型，把生物材料与细胞、生长因子等进行原位打印，并在体外培养出具有皮肤附属器的皮肤组织，植入到患者体内，可解决组织工程皮肤无法生长出毛孔和汗腺、患者皮肤修复后难以散热的问题。然而以现在三维打印技术的精度来说，要精确打印出皮肤附属器的三维结构比较困难，因此必须提升三维打印技术的精度才有望实现使用三维打印技术制备仿生组织工程皮肤。
3 总结与展望
使用三维打印技术进行生产的成本低廉、生产周期短，对于皮肤修复材料产业来说可有效降低运输、保存等成本，提升行业利润。其中熔融沉积成型技术具有设备轻巧简单、价格低廉、操作容易等优点，然而由于材料选择甚少，日后难以有更大的突破，因此向低温熔融沉积成型的方向发展将会是大势所趋。将来可能发展出同时拥有高温和低温打印头、平台温度可达–30～80℃的熔融沉积成型三维打印机，使用高温打印头打印塑料给予产品适当的物理学性能，再用低温打印头打印多糖、蛋白等材料给予产品生物学性能，以制备出性能更为优秀的皮肤修复材料，应用于新型伤口敷料的生产当中。三维生物打印技术可选择的材料较多，而且可以对细胞和生长因子进行原位打印，减省了细胞吸附到材料上的过程，缩短了体外培养组织工程皮肤的时间，可有效缩短生产周期、节约成本，但相关技术依然有待完善。期待以后发展出更为简单、便宜的三维生物打印设备，可实现大批量生产组织工程皮肤，以满足市场的需求。
现在应用三维打印的新型设备和技术价格较为高昂，导致一些中小型企业较难开展三维打印相关的生产和业务，然而应用三维打印技术可降低企业的生产成本和营运成本，有效增加企业利润，打破皮肤修复材料产业成本高、利润增长放缓的困局，且三维打印技术不单单可以应用在皮肤修复材料的大批量生产当中，还可以在医院使用，配合对患者的诊断即时进行相应的皮肤修复材料生产，甚至直接打印在患者的伤口上，有效降低患者的医疗成本和缩短治疗时间。该技术将来的发展可更多地应用于毁容患者的容貌修复、仿生组织工程皮肤的生产等领域。
引言
由于战争、灾祸、疾病等原因，皮肤出现严重且难以愈合的伤口，患者需要使用皮肤修复材料覆盖伤口，以保持伤口清洁卫生；吸收伤口渗出的血液和有毒物质，促进伤口更快更好地愈合。皮肤修复材料可分为皮肤替代材料和皮肤移植材料，皮肤替代材料包括纱布、伤口敷料等暂时性覆盖伤口的材料；皮肤移植材料则包括自体或异体皮肤移植、组织工程皮肤等终身替代受损皮肤的材料[1]。过去人们用纱布覆盖伤口，但是对伤口愈合的促进效果极微。1962 年英国科学家 Winter 提出的“湿性愈合理论”认为：伤口在潮湿环境中愈合的速度比干燥环境快，有利于清除坏死组织和毒素、促进血管形成和生长因子的作用，同时减轻伤口的痛楚[2-4]。所以，开始出现了新型伤口敷料的研究和生产。进一步研究显示伤口处于潮湿环境中的愈合速度是干燥环境的两倍[5]，临床研究发现湿润烧伤膏治疗烧伤患者的疗效显著[6]，近年更发展出湿性愈合的功能性敷料[7]，证明利用“湿性愈合理论”对伤口敷料的研发在治疗伤口的研究中具有极大的意义。其优点是换药次数大幅减少，加快患者康复，并降低医疗成本[8]。但是，新型伤口敷料存在生产周期长、生产成本高昂等缺点。以壳聚糖纤维敷料为例，其生产工艺流程包括纤维开松、梳理、水刺加固、烘干、卷取等繁琐的过程[9]。我国医用敷料产业在 2015 年有 6 个月的出口额同比均下滑，其中 11 月同比降幅 16.6 %，由于我国产业技术水平不高，企业议价能力较差，产品价格始终处于较低水平，如若不能较好地控制成本，未来行业利润增长将进一步放缓[10]。
对于较为严重——直径大于 4 cm 的全层皮肤损伤，皮肤完全失去自我修复能力，则需要利用皮肤移植材料覆盖保护伤口，并诱导细胞生长分化，再生成皮肤组织。皮肤移植材料可分为自体皮肤、异体皮肤和组织工程皮肤三种，而组织工程皮肤又可分为天然生物支架、人工合成支架和生物材料合成支架三种[11]。自体和异体皮肤存在供体不足、难以大批量生产的缺点。天然生物支架是直接使用动物组织如皮肤、羊膜等脱细胞制备成支架材料，来源短缺，且容易造成跨物种病毒感染；人工合成支架使用合成高分子材料制备成支架材料，可工业化生产制备；生物材料合成支架则使用从生物体提取的天然高分子材料制备成支架材料，来源较人工合成材料短缺，但治疗效果比人工合成材料好，鲜有跨物种病毒感染。皮肤移植材料在国内外市场上都有较多的产品，包括表皮替代、真皮替代和全皮替代等产品在临床上应用广泛，能有效再生成皮肤组织[12]。然而皮肤移植材料对生产环境、设备、运输、保存等要求较高，大大增加了其生产和应用的成本。因此，一些结构简单、成分明确、易于保存和运输的组织工程皮肤在市场上会有较大的优势[13]。可见对皮肤修复材料产业而言，控制成本是至关重要的一环。
近年来，三维打印技术开始被广泛应用于人工器官和组织工程等生物医学领域中，配合计算机建模可控制产物的孔率和孔径，有效满足医疗器械和组织工程支架生产的需要[14-17]。田晓红等[18]研究发现使用三维打印制备的组织工程支架培养大鼠脂肪源性干细胞，其细胞存活率和细胞活力都有所提高，表明三维打印技术在组织工程的研究上意义重大。利用三维打印技术进行生产的成本较传统生产方法低廉，同时适合大批量生产高复杂度的产品。如今国家正计划发展三维打印产业，目标为 2020 年实现产业年销售收入超过 200 亿元，年均增速在 30% 以上，并鼓励应用于航天、医疗等领域当中[19]。进一步而言，三维打印设备轻巧简单，可以在医院使用，也可以随救援队伍携带到灾难现场，随时随地按需要进行伤口敷料的制备，即时对伤者进行救援；并可结合医学成像技术，按患者的病灶形状需要，量身设计合适的植入物，广泛应用于骨科和牙科领域的临床测试[20]。三维打印技术应用于皮肤修复材料生产当中的优越性在于有效降低生产成本、减省复杂的生产工艺，且可以在需要使用时立刻进行快速生产，降低保存和运输带来的成本，提高经济效益。本文将对近年应用三维打印技术制备伤口敷料和组织工程皮肤的研究进行综述，并展望未来的应用和发展。
1 三维打印技术制备皮肤修复材料
三维打印技术是一种增材制造技术，通过计算机辅助设计软件设计出产品的三维模型，再把模型沿 z 轴划分成多个数百微米厚的层面，将三维模型变成一系列的二维层片，然后通过三维打印机以分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料，将连续的薄型层面逐层堆叠起来，最终制备得到产品实体形态的技术。相比传统生产技术，三维打印技术具备成本低廉、生产周期短的优点，且可以精准地进行大批量生产，适合应用于皮肤修复材料产业当中，从而有利于增加产业盈利，亦可降低患者的医疗开支[21]。从产业的角度对三维打印技术的要求包括：生产过程中不产生有毒有害物质、精准快速制备产物、产物具有恰当的物理和生物性能等。对于三维打印的产业和技术研发而言，材料的选择是最为重要的一环，由于三维打印技术对材料有要求，而能用于三维打印的材料性能有可能与目标性能相违背，因此找到合适的材料对三维打印的产业和技术研发来说是首先需要克服的难题，近年的研究也多集中于此。
使用三维打印技术制备皮肤修复材料最基本的要求是符合皮肤修复的需要，如吸水性、透气性、抗菌性、力学性能、生物相容性等，进一步而言，材料必须能够加入挤出机中熔融或者配成黏稠的溶液，被打印头挤出后快速固化并保持形状，以层层堆叠形成产物。较常用的材料包含壳聚糖、胶原蛋白、海藻酸钠、聚乙烯醇、聚氨酯等。本节将介绍较常用于皮肤修复材料制备的三维打印技术，即熔融沉积成型技术和三维生物打印技术。
1.1 熔融沉积成型技术
熔融沉积成型技术的原理是使用步进电机把丝状材料推送到打印头加热熔融，通过步进电机进一步推送产生压力，把材料挤压出打印头，并透过电脑控制热床和打印头移动，以打印出立体产物。熔融沉积成型技术的优点是设备轻巧简单，市场上已经存在不少桌面级的熔融沉积成型打印机产品，其价格低廉，一般为数千到一万人民币。但是，较适合用于熔融沉积成型技术制备的材料只有聚氨酯和聚乙烯醇，这两种材料在市场上已有打印耗材供应，可在桌面级熔融沉积成型三维打印机使用。由于材料种类有限，且多为疏水性材料，难以符合制备皮肤修复材料所需的要求。
应用熔融沉积成型技术制备皮肤修复材料的研究主要集中于开发新型材料上，而对材料加入生长因子或抗菌剂是较为重要的研究方向。由于熔融沉积成型技术需要对材料进行加热熔融，导致大部分有机的生长因子、抗菌剂等无法应用于该技术当中，而其中一种解决方法是在三维打印材料中加入无机固体相抗菌剂。Kim 等[22]把聚氨酯和质量为聚氨酯 1%～4% 的碳纳米管复合制备成丝状材料，应用于熔融沉积成型技术当中，打印在聚氨酯三维打印样品上，可作为压力传感器使用。他们对样品 x 轴、y 轴和 z 轴三个方向进行弯曲测试，测得样品 z 轴的弯曲变形较大，而 x 轴和 y 轴较小，整体力学性能较佳。碳纳米管具有抗菌效果，可作为固体相抗菌剂应用于三维打印敷料的制备当中，调控碳纳米管的含量和合适的产品设计可保障产品有较佳的力学性能，并能发挥抗菌效果。
另一个在熔融沉积成型材料中加入生长因子或抗菌剂的方法是应用低温熔融沉积成型技术（low-temperature deposition manufacturing），其原理是把液态的材料挤出到低温的空腔内固化成型，可使用多糖类、蛋白类等材料进行打印[23]。Hung 等[24]使用聚己内酯和聚己二酸丁二醇酯二醇与异佛尔酮二异氰酸酯反应合成生物降解性聚氨酯，再与透明质酸和生长因子 Y27632 及 TGFβ3 复合制备成打印材料，打印到–30℃的空腔内，产物具有良好的弹性，经过多次压缩依然可以恢复原来形状，并经过细胞和动物实验表明其具有促进细胞生长和组织修复的效果，适合作为皮肤修复材料使用。低温熔融沉积成型技术打破了熔融沉积成型技术必须在高温下进行的局限性，提供了一个使用熔融沉积成型技术打印含有机生长因子或抗菌剂材料的方法，然而低温熔融沉积成型技术的设备较一般熔融沉积成型技术复杂，较难制成桌面级仪器，因此设备的小型化和简单化将会是低温熔融沉积成型技术发展的一大难题。
近年亦有不少学者为满足三维打印制备皮肤修复材料的需求，开发出用于熔融沉积成型技术的材料和方法。Mohanty 等[25]使用聚乙烯醇打印出产品的模具，加入聚二甲基硅氧烷后用水把聚乙烯醇模具溶解去除，制备成多孔支架，细胞可在支架内生长，适合作为组织工程皮肤使用。该研究解决了熔融沉积成型可用材料不足的问题，且产物能保留三维打印整齐的孔洞结构，但是这种生产方法依然依赖于模具，且模具不能重复使用，存在浪费材料、生产周期延长的问题。
在材料开发方面，Muwaffak 等[26]使用聚己内酯作为三维打印材料，加入硝酸银、硫酸铜和氧化锌等抗菌剂，再使用熔融沉积成型技术打印成伤口敷料，有良好的抗菌效果，并可以配合三维扫描仪制备出与伤口形状吻合的伤口敷料。因为聚己内酯是一种熔点低、分解温度高的塑料，易于制成丝状材料，适合用于熔融沉积成型当中，而且材料安全无毒，可被人体降解吸收，因此近年经常被应用于骨组织工程支架的制备和研究中；然而聚己内酯是疏水性材料，制备的产物难以达到伤口敷料对吸水性和透气性的要求，因此必须对聚己内酯进行亲水改性才能应用于皮肤修复材料的制备当中。Cheng 等[27]对聚己内酯和聚乙二醇的端基进行改性，制备成聚己内酯-二丙烯酸酯和聚乙二醇-二丙烯酸酯，并混合不同分量的壳聚糖，用于光固化成型当中。该材料测得接触角为 20.2～38.0°，结果显示材料改性后亲水性有所提高，而熔点则维持在 44.6～54.8℃，表示材料经过改性后依然保持低熔点的优点，同时适合应用于熔融沉积成型技术制备皮肤修复材料，并提供了使用熔融沉积成型技术对壳聚糖等糖类材料进行加工的可能性。
糖类材料是常用于皮肤修复的天然材料，然而大部分多糖材料的熔点高于分解温度，导致难以进行熔融加工，更难以用于熔融沉积成型技术当中。单糖材料的熔点较低，可进行熔融加工，然而单糖材料脆性较大，难以符合皮肤修复材料对力学性能的要求。Bégin-Drolet 等[28]使用葡萄糖和蔗糖混合制成糖玻璃作为打印材料，并在打印头加入了一个空气冷却系统，使糖玻璃在打印后可以快速冷却成型，产物有较高的精度；为了增加材料的韧性，他们在打印成型的糖玻璃支架外面加入聚二甲硅氧烷水凝胶，提升材料的韧性并提供适合细胞生长的环境，从而适合作为皮肤修复材料使用。熔融沉积成型具有设备轻巧、操作简单等优点，然而由于材料选择甚少，特别难以满足皮肤修复材料的要求，导致该领域研究走向瓶颈。
1.2 三维生物打印技术
三维生物打印技术是特别为了解决生物医学产品使用三维打印技术生产的难题而开发的技术，可以使用生物医学上常用的材料，例如大部分多糖、蛋白、抗菌剂、生长因子等作为生物油墨（bioink），透过气动、活塞或螺杆把生物油墨挤出，由电脑控制打印成立体产品，并且可以连细胞一起进行原位打印，从而得到含有细胞的组织工程支架[29-30]。三维生物打印可分为喷墨挤压式生物打印（inkjet and extrusion based bioprinting）和光辅助生物打印（light-assisted bioprinting）两种。喷墨挤压式生物打印使用溶液作为打印材料，需要有一定的黏性，在打印头内被加压挤出后流动性较低方可层层堆叠成型，成型后需要喷洒固化剂或进行干燥使产品固化；光辅助生物打印使用光线照射使挤出成型的材料固化成型的技术，可以照射可见光或紫外线进行固化，也可以使用激光定点固化材料，而材料必须具有碳碳双键以进行自由基聚合反应而固化，得到的产品精度相对较高，可达到亚微米水平[31]。两者当中以喷墨挤压式生物打印较为常用。
对于皮肤修复材料而言，特别是生物打印制备组织工程皮肤，三维生物打印技术提供更多类型的材料选择，并由于可以原位打印细胞，提供了打印产物原位生长成毛孔、汗腺等皮肤附属器的可能性[32]。刘南波[33]复合了海藻酸钠、明胶、成真皮基质均浆、293T 细胞和汗腺专用培养基作为生物油墨，使用喷墨挤压式生物打印制备组织工程皮肤，经体外培养实验表明可以生长出汗腺样组织。该研究对组织工程皮肤而言是突破性的结果，然而该组织工程皮肤尚未经过动物实验和临床试验验证，是否能修复皮肤的全部功能仍是未知之数。
三维生物打印技术的材料选择较多，从生物提取的多糖、蛋白质等材料都可以作为生物油墨使用。孙凯等[34]从桑蚕丝中提取丝蛋白，从牛筋腱中提取胶原蛋白，复合制备成生物油墨，使用喷墨挤压式生物打印制备出组织工程支架，有良好的吸水性能，适合作为皮肤修复材料使用。Rodriguez 等[35]复合丝蛋白、明胶和甘油作为生物油墨，使用喷墨挤压式生物打印制备出组织工程支架，经动物实验表明有较佳的生物相容性。丝蛋白是常用于组织工程当中的生物材料，在自然界的蕴藏量较多，具有较好的生物相容性、降解性等优点，通过使用三维生物打印技术可以对丝蛋白产品进行快速成型生产，无疑是重大的突破。
除了从动物提取材料以外，还可以直接从人体内提取材料进行打印。Pati 等[36]从人体抽取脂肪组织进行脱细胞处理作为生物油墨，与聚己内酯一起进行喷墨挤压式生物打印，制备成乳房假体。这种技术同样适用于组织工程皮肤的制备当中，从患者皮肤中提取适当的组织和细胞，进行生物打印制备成组织工程皮肤再植入到受伤的皮肤上，可取得自体移植的效果而对患者产生的二次伤害较小，可达到个体化医疗。
三维生物打印技术使用的生物油墨一般在室温下为液体，在打印完成后依然具有流动性，容易在打印后出现变形，因此打印后对产品进行固化是最为重要的一步，较常用的方法包括烘干、冷冻干燥、喷洒交联剂、光交联等。Bootsma 等[37]复合海藻酸钠、碳酸钙、葡萄糖内酯、N,N-甲叉双丙烯酰胺、过硫酸铵和光起始剂-1173 作为生物油墨，使用光辅助生物打印制备软组织修复材料，在打印同时对产品照射紫外线使材料交联固化，产生互穿网络聚合物，产物具有较好的吸水性能和力学性能，适合作为皮肤修复材料使用。这方法可以有效地让挤出的生物油墨快速固化成型，然而大部分光交联剂都有细胞毒性，不适宜作为医疗产品使用，因此需要开发无毒的交联固化方法，以满足医疗产品的需要。谷龙[38]设计了一台专门用于打印皮肤修复材料的三维生物打印机，在打印机里加入了雾化装置，每打印一层立刻喷洒交联剂使材料固化，他们复合海藻酸钠、明胶和成纤维细胞作为生物油墨，使用喷墨挤压式生物打印制备组织工程皮肤，并对每一层喷洒氯化钙交联固化，产物具有良好的细胞相容性，经动物实验表明有促进伤口愈合的效果。氯化钙对人体无害，海藻酸钠被氯化钙交联后有良好的生物相容性，适合用作皮肤修复材料。三维生物打印技术是较为新型的三维打印技术，为生物医学产品的快速成型提供了全新的方法，然而设备价格较为高昂，一般需要数万到数百万人民币，而且较少有桌面级仪器，因此日后的研究应集中于桌面级三维生物打印机的开发。
2 三维打印技术应用于皮肤组织修复的发展前景
三维打印除了低成本、高效率以外，还可以精准地按患者病灶几何形状打印出适合的修复材料，不少学者研究使用三维打印技术打印人体器官，改善移植器官供体不足、大量患者无法得到器官移植的现状。器官打印可分为前处理（pre processing）、处理（processing）和后处理（post processing）三个部分。前处理包括应用医学成像技术对病灶进行立体成像，由电脑对影像进行处理生成标准模板库文件和 G 代码；处理包括打印机按 G 代码打印出产物所需的立体构象；后处理包括对产物进行体外细胞培养，使其生长成具有功能的器官并植入人体[39]。按这个方法除了可以制备出符合皮肤修复材料的物理和生物学要求的产品之外，还可以打印出符合患者伤口三维结构的产品，特别适合应用于面部皮肤创伤修复，可按照患者受伤毁容前面部的三维结构设计模型，打印出组织工程皮肤并植入到伤患处后按模型形状生长出新的皮肤，可达到鼻和耳廓形态的修复[40-43]。在芬兰有学者研究使用三维数字影像技术（three-dimensional digital imaging）对志愿者的面部三维结构进行记录，然后用 ZP150 粉末进行三维打印，制备用于面部移植材料的模型，可在 9～15 h 内制备出整个面孔的模型，成本约为 1 500 欧元[44]。这项技术为毁容患者提供了容颜恢复的可能性，然而所使用的 ZP150 粉末为石膏类材料，不适合用于皮肤修复，且所使用的面部三维结构模型来自志愿者而非患者本身，修复后容貌会有所改变，因此需要开发合适材料，并建立面部三维结构数据库，收集每个人面部的三维结构模型，并定期更新，让患者毁容后可使用自身面部三维结构模型进行修复，以达到个体化的容貌修复。
另一方面，借助三维打印技术进行仿生设计和生产，有可能实现以人工方法制备出与人体皮肤结构完全一致的仿生组织工程皮肤。已有文献报道使用三维打印技术设计并打印出模仿鱼鳞和穿山甲壳的产物，提升产物的力学性能[45]，这种技术应用在组织工程皮肤的制备当中，可通过设计出包括毛孔、汗腺等皮肤附属器的三维模型，把生物材料与细胞、生长因子等进行原位打印，并在体外培养出具有皮肤附属器的皮肤组织，植入到患者体内，可解决组织工程皮肤无法生长出毛孔和汗腺、患者皮肤修复后难以散热的问题。然而以现在三维打印技术的精度来说，要精确打印出皮肤附属器的三维结构比较困难，因此必须提升三维打印技术的精度才有望实现使用三维打印技术制备仿生组织工程皮肤。
3 总结与展望
使用三维打印技术进行生产的成本低廉、生产周期短，对于皮肤修复材料产业来说可有效降低运输、保存等成本，提升行业利润。其中熔融沉积成型技术具有设备轻巧简单、价格低廉、操作容易等优点，然而由于材料选择甚少，日后难以有更大的突破，因此向低温熔融沉积成型的方向发展将会是大势所趋。将来可能发展出同时拥有高温和低温打印头、平台温度可达–30～80℃的熔融沉积成型三维打印机，使用高温打印头打印塑料给予产品适当的物理学性能，再用低温打印头打印多糖、蛋白等材料给予产品生物学性能，以制备出性能更为优秀的皮肤修复材料，应用于新型伤口敷料的生产当中。三维生物打印技术可选择的材料较多，而且可以对细胞和生长因子进行原位打印，减省了细胞吸附到材料上的过程，缩短了体外培养组织工程皮肤的时间，可有效缩短生产周期、节约成本，但相关技术依然有待完善。期待以后发展出更为简单、便宜的三维生物打印设备，可实现大批量生产组织工程皮肤，以满足市场的需求。
现在应用三维打印的新型设备和技术价格较为高昂，导致一些中小型企业较难开展三维打印相关的生产和业务，然而应用三维打印技术可降低企业的生产成本和营运成本，有效增加企业利润，打破皮肤修复材料产业成本高、利润增长放缓的困局，且三维打印技术不单单可以应用在皮肤修复材料的大批量生产当中，还可以在医院使用，配合对患者的诊断即时进行相应的皮肤修复材料生产，甚至直接打印在患者的伤口上，有效降低患者的医疗成本和缩短治疗时间。该技术将来的发展可更多地应用于毁容患者的容貌修复、仿生组织工程皮肤的生产等领域。