综述：3D打印人工骨支架：材料设计、生物活性物质整合与血管化组织瓣的集成

这篇综述系统阐述了3D打印骨支架在修复大段骨缺损中的创新策略，涵盖支架材料（PLA/PCL/β-TCP等）、生物活性因子（VEGF/BMP-2/DFO）负载技术及血管化策略（AVL/AVB/组织瓣）。通过整合结构仿生与功能协同，突破传统支架"机械支撑有余而生物引导不足"的局限，实现"血管-成骨耦合再生"，为骨组织工程从"结构替代"到"功能重建"的范式转变提供理论创新与临床指导。

　　

3D打印人工骨支架的革命性进展

1 引言

大段骨缺损的修复始终是骨科临床的重大挑战。传统自体骨移植虽为"金标准"，但面临供体有限、取骨区并发症等限制。随着3D打印技术的成熟，通过精确复制解剖几何形态的仿生支架，结合多孔结构促进细胞迁移，表面修饰实现生物活性因子的精准控释，为骨再生提供了全新解决方案。尤其通过整合血管化组织瓣，建立内皮细胞与间充质干细胞的共培养微环境，可显著提升成骨与血管化效率。

2 3D打印技术

当前主流的增材制造技术各具特色：熔融沉积成型(FDM)成本低但分辨率有限；选择性激光烧结(SLS)可制造60%-80%孔隙率的复杂结构；金属打印(SLM/EBM)强度超500MPa，适用于承重部位；光固化(SLA)精度达25μm，但需解决丙烯酸酯单体的细胞毒性问题。最新研究表明，通过NaCl颗粒嵌入等后处理技术，可使PCL支架压缩模量提升2.1倍，显著延缓力学性能退化。

3 支架材料

聚合物材料中，PLA具有24周降解周期，600μm孔径设计最优；天然聚合物如脱矿骨基质(DBM)胶原含量达217±8μg/mg，但力学性能不稳定。生物陶瓷如羟基磷灰石(HA)占骨质量的65%，β-磷酸三钙(β-TCP)与硅酸钙支架在兔股骨头坏死模型中显示出协同成骨效应。金属材料中，多孔钽(Ta)弹性模量2-3GPa更接近天然骨，而可降解镁(Mg)合金通过Mg²⁺释放激活TRPM7通道，可上调hBMSC中Runx2 mRNA表达2.5倍。

4 性能优化

力学性能方面，皮质骨弹性模量15-20GPa，小梁骨约1GPa，通过拓扑优化可使钛合金支架应力遮挡率从35%降至8%。孔隙结构设计证实400-600μm孔径最利于骨再生，螺旋状孔道比六边形设计提升40%血管密度。生物活性调控中，双层PLGA外层快速降解促进血管化，而HA内核提供长效支撑，这种梯度设计解决了降解-成骨不同步的难题。

5 生物活性负载

细胞负载策略显示，BMSC与HUVEC共培养支架在小鼠体内可形成稳定微血管网。生长因子递送方面，PLGA微球包裹VEGF可实现10天缓释，使HUVEC增殖翻倍；而BMP-2剂量从1.4μg增至11μg时，大鼠股骨缺损愈合率显著提高。小分子药物如去铁胺(DFO)通过上调HIF-1α促进血管生成，但需解决其体内半衰期仅5-6小时的局限。

6 轴向血管化技术

动脉静脉环(AVL)模型中，缺氧梯度驱动有序血管新生，第10天HIF-1α表达达峰值时给予VEGF效果最佳。动脉静脉束(AVB)无需吻合，在兔大腿模型中使骨面积分数提升至70.76%。单静脉灌注创新技术使成骨水平从26.6%跃升至66%，血管密度翻倍。

7 血管化组织瓣移植

筋膜瓣移植12周后血管密度达521.5±77.8个单位；带蒂骨膜瓣使兔颅骨16周时骨量提升2.56倍；大网膜瓣凭借丰富血管网络，在感染性骨缺损中实现零截肢率。最新4D打印技术结合形状记忆聚合物，可实现pH/温度响应性药物释放，为个性化治疗提供可能。

8 未来展望

智能材料与微流控双通道打印结合，可构建200μm主血管与10-50μm分支的仿生网络。机器人辅助的神经导航瓣膜取材技术，配合术中荧光定位，将大幅提升手术精度。建立ISO标准化的智能制造流程，推动多中心临床试验，是加速临床转化的关键路径。

这项技术正引领骨再生医学从结构修复迈向功能重建的新纪元，其成功将取决于材料科学家、临床医师与智能工程师的深度协作。随着精准医疗时代的到来，3D打印血管化骨支架有望成为治疗临界尺寸骨缺损的终极解决方案。