综述：3D打印响应性支架在骨修复中的最新进展

本综述系统探讨了3D打印响应性支架在骨修复领域的前沿进展，重点分析了温度、光、压电、免疫、磁及酶响应型支架的设计原理与生物医学应用。文章详细阐述了多种3D打印技术（DIW、FDM、SLA、DLP等）的优劣，并指出通过整合智能材料（如PNIPAAm、BP纳米片、BaTiO3、Fe3O4）可实现支架对微环境动态响应，促进成骨分化、血管生成及免疫调控，为精准骨再生提供创新策略。

　　

1. 引言

骨缺损的修复与功能重建是临床医学的重要挑战。自体骨移植虽被视为金标准，但存在供体资源稀缺、感染和免疫排斥等局限。传统骨支架缺乏对微生物环境的响应能力，而功能化骨支架通过改变表面形态、粗糙度和润湿性调控细胞行为，并结合生物活性因子与药物实现体内控释治疗。近年来，模拟细胞外基质（ECM）的功能性骨支架通过感知外部刺激触发靶向生物响应，显著提升骨修复效率。刺激信号包括光、压力、温度、免疫、磁和酶等，这些信号影响细胞分化与增殖，加速骨组织修复再生。3D打印技术（增材制造，AM）通过逐层堆叠材料构建三维实体，在制造复杂骨支架方面具有传统技术无法比拟的优势，可实现个性化定制和高精度打印，为细胞生长与血管形成提供理想环境。

2. 骨结构与骨修复支架

骨由骨膜、骨髓和骨实质组成。骨密质提供机械支撑，骨松质参与造血和脂肪储存。ECM中的羟基磷灰石（钙磷化合物）分散于I型胶原中，赋予骨骼优异机械强度。骨支架需具备良好的生物活性（包括骨诱导性、骨传导性和骨整合性）和机械性能，其降解速率应与矿化组织沉积速率同步。ECM不仅调控组织力学和生物学特性，还参与细胞动力学调节和营养运输。近年来，研究人员将生长因子（如BMP-2、TGF-β）、细胞因子和外泌体等多功能生物材料负载于骨支架中，有效调控细胞与支架的相互作用，实现药物控释，为骨再生提供支持。

3. 骨修复中的3D打印技术

3D打印技术基于“缺陷扫描-模型创建-打印制造”的工作流程，通过多材料共打印、动态功能层构建和智能响应材料整合，实现材料特性的精确控制和动态功能适配。其核心在于空间分辨率控制和选择性材料沉积。本节概述了用于制造骨缺损支架的典型3D打印技术：

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  挤出式打印：包括直接墨水书写（DIW）、熔融沉积建模（FDM）和熔融电写（MEW）。DIW操作简单且墨水选择广泛，但打印精度低；FDM无需支撑结构，但高温打印易损伤生物材料；MEW可实现亚微米级纤维沉积，但材料需具备热塑性和介电性质。
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  光聚合固化：包括立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）和双光子聚合（TPP）。SLA和DLP利用光触发单体和预聚物交联，打印精度高且速度快，但材料需含反应基团（如酰基化合物、环氧基团）；TPP基于非线性光学效应，突破衍射极限，可实现纳米级分辨率。
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  激光粉末熔融：包括选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）。SLS通过激光局部熔化聚合物粉末，未烧结材料作为支撑，材料利用率低；SLM完全熔化粉末，制造高强度和复杂结构部件。

4. 基于3D打印技术的响应性支架

响应性支架能够动态响应外部信号（如温度、pH、光、磁场等），以可控、高效和安全的方式最大化治疗效果。

4.1. 温度响应支架

温度敏感聚合物（如聚N-异丙基丙烯酰胺，PNIPAAm）在水溶液中发生溶胶-凝胶转变过程，其相变温度（LCST）可通过共聚或混合单体调整至25–40°C，以匹配不同组织局部温度。此类支架可负载活细胞、疏水性药物和不稳定生物分子（如蛋白质、生长因子和基因），并在体温触发下控释。研究案例包括：

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  自修复导电聚氨酯支架（PU-AT支架）在接近体温条件下表现出形状记忆效应，促进钙沉积和骨再生。
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  形状记忆聚氨酯弹性体（SMPU）与聚偏氟乙烯（PVDF）压电纳米纤维复合支架，通过形状记忆过程和压电效应实现自供电电刺激，促进颅骨缺损修复。
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  聚己内酯（PCL）基支架通过FDM打印，利用接近体温的转变温度实现形状恢复，适应缺损形态并促进骨再生。

4.2. 光响应支架

光刺激通过支架中的光吸收剂实现光热转换，具有清洁、无创和高度可控的特点。光热疗法（PTT）在43°C以上可不可逆损伤骨肿瘤细胞，而适度升温促进成骨分化和钙沉积。光动力疗法（PDT）通过光敏剂产生活性氧（如单线态氧、自由基），破坏肿瘤细胞结构。研究案例包括：

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  黑磷（BP）纳米片嵌入藻酸盐和N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）复合支架，在近红外光（NIR）照射下可逆收缩和扩张，增强大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）增殖和成骨分化。
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  聚多巴胺@丝素蛋白（PDA@SF）支架对NIR激光具有光热细胞毒性，可有效杀伤人骨肉瘤细胞（MG63）。
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  壳聚糖支架封装纳米羟基磷灰石和氧化石墨烯，展示优异光热响应，杀死骨肉瘤细胞并促进组织再生。
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  钛植入物束整合CO纳米发生器CO@PDA和RGD肽，在NIR照射下发挥抗菌和抗炎作用，促进M1巨噬细胞向M2表型极化。
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  发光材料SAO（SrAl₂O₄:Eu, Dy）和光敏剂（玫瑰红）掺杂生物活性玻璃构建PDT支架，抑制肿瘤增殖并促进成骨分化。

4.3. 压电响应支架

关节骨组织本身具有压电性，对电刺激敏感。压电材料（如钛酸钡、聚偏氟乙烯PVDF）可模拟天然骨组织的电刺激信号，通过激活电压门控钙通道（VGCC）触发细胞内钙离子水平上升，调控软骨细胞基因表达和生长因子（如BMP-2、TGF-β）产生。研究案例包括：

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  压电导电改性明胶（Gel-PC）支架掺杂软骨脱细胞ECM和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)，在机械应力下产生电位差，吸引骨髓间充质干细胞（BMSCs）并促进骨分化。
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  3D打印Ti₆Al₄V支架涂覆BaTiO₃，压电效应促进巨噬细胞M2极化和免疫调节成骨。
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  藻酸盐和甲基丙烯酰明胶（GelMA）交联的骨膜-骨仿生支架掺杂钨酸铅（PWH），通过激活PI3K-AKT、HIF-1、ATP、MAPK和Ca²⁺信号通路促进成骨和血管生成。
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  丙烯酸环氧大豆油（AESO）支架掺杂压电纳米粒子，通过DLP 3D打印促进BMSCs成骨分化和体内骨缺损修复。

4.4. 免疫响应支架

外来支架植入引发宿主免疫反应，巨噬细胞在炎症和修复阶段起关键作用。M1巨噬细胞分泌促炎因子（如TNF-α、IL-1β、IL-6）介导组织清创，但持续存在导致慢性炎症；M2巨噬细胞分泌成骨和血管生长分子（如BMP-2、TGF-β）参与组织修复。智能支架通过免疫细胞、细胞因子或特定生物分子刺激诱导结构变化，释放治疗颗粒或药物，调控巨噬细胞表型和骨免疫稳态。研究案例包括：

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  非律宾镁氧化物支架涂覆白细胞介素-4（IL-4），组合免疫反应性IL-4和Mg²⁺协调巨噬细胞M2极化，刺激成骨细胞分泌ALP和骨钙素（OCN），加速矿化过程。
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  生物活性玻璃和磷酸三钙复合支架，钙离子早期释放促进M1极化，原位矿化后钙离子减少，驱动M1向M2转变，促进骨分化。
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  植入性凋亡模拟纳米纤维酶/短纤维基质（PFS@AM/CeO₂）整合凋亡信号和仿生基质，激活巨噬细胞持续细胞毒性，抑制炎症并促进骨修复。
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  微波响应沸石咪唑骨架8（ZIF-8）纳米材料负载化疗药物和免疫检查点抑制剂于3D打印钛支架，降解产物诱导巨噬细胞M2极化，分泌IL-10和TGF-β促进组织修复。

4.5. 磁响应支架

含磁性纳米颗粒的3D打印支架可通过外部磁刺激远程激活。磁场影响胞浆关键离子（如钙、钠、钾）浓度和分布，调节干细胞功能、增殖和分化。常用磁性纳米颗粒包括磁赤铁矿（Fe₂O₃）、磁铁矿（Fe₃O₄）和掺杂Mn、Co、Ni或Zn的尖晶石结构磁铁酸盐。研究案例包括：

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  改性Fe₃O₄纳米颗粒和Mg²⁺自组装聚氨酯乳液（PFM）制成坚韧磁响应支架，外部刺激增强BMSCs成骨分化。
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  多功能铋-聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可注射骨植入物提供磁热效应，促进骨组织再生。
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  磁性聚集诱导骨靶向聚乳酸羟基乙酸共聚物（PLGA）纳米载体（ZOL-PLGA@Yoda1/SPIO）通过骨靶向分子介导和磁性聚集实现精准递送，加速骨重建。
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  3D打印耳形磁性纳米粒子复合支架在外部磁场驱动下促进成骨细胞增殖和ECM重塑。
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  磁性纳米颗粒（MNP）加载软骨微组织暴露于磁场，实现微组织簇融合，形成“磁增强软骨植入物构建体”。

4.6. 酶响应支架

酶响应支架由特定酶（如基质金属蛋白酶MMP-2/9、碱性磷酸酶ALP、透明质酸酶Hyal-1、组织蛋白酶B CatB、凝血酶）触发降解、变形或功能释放，应用于控释药物和生长因子，促进骨再生、抗感染和肿瘤消融。研究案例包括：

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  MMP切割肽连接于乙二醇网络形成MMP响应水凝胶，降解变性胶原并清除坏死组织，增强M1向M2极化，促进成骨分化和骨修复。
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  牛血清蛋白纳米颗粒（BNP）负载SKP肽和P24肽集成于聚乳酸（PLLA）多孔微球，通过异质嫁接信号分子激活成骨微环境（OME）。
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  赖氨酰氧化酶（LOX）掺杂甲基丙烯酰明胶（GelMA）水凝胶，模拟LOX活性促进胶原合成和骨再生。
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  透明质酸和镁帕米膦酸盐纳米粒子复合水凝胶释放镁离子激活ALP，促进hMSC成骨分化。
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  3D打印生物矿化磷酸钙纳米片支架由藻酸盐、葡萄糖氧化酶（GO_X）和过氧化氢酶组成，缓解高血糖环境并促进糖尿病患者骨组织再生。

4.7. 多响应支架

多响应支架可响应两种及以上外部刺激，根据患者需求选择合适材料和3D打印方法。研究案例包括：

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  4D打印技术结合多功能磁性纳米粒子Fe₃O₄@SiO₂与生物陶瓷/生物聚合物墨水开发双响应支架，近红外光热刺激通过激活PI3K/AKT通路上调热休克蛋白（HSP90）表达，促进成骨和血管生成。
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  聚多巴胺改性葡聚糖和黑磷纳米片集成甲基丙烯酸明胶/甲基丙烯酸藻酸钠水凝胶，具备NIR/pH双响应特性，在光热治疗下促进骨形成、缓解炎症并诱导巨噬细胞M2极化。
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  近红外光响应聚多巴胺涂层碳酸镁-钙微球掺入温敏羟基丁基壳聚糖水凝胶，实现抗炎药阿司匹林和成骨形态发生蛋白2的顺序递送。
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  聚醚酰亚胺（PEI）和Fe₃O₄纳米粒子构建智能NIR光和磁场响应3D打印支架，注入含芦荟大黄素（天然抗菌抗氧化化合物）的甲基丙烯酸明胶水凝胶，抑制感染性骨缺损微环境中巨噬细胞M1极化，结合静磁场促进成骨-血管生成耦合。

5. 总结与展望

3D打印响应性支架通过个性化定制和层次孔结构模拟天然骨组织，为骨修复提供创新解决方案。智能材料整合使支架能够动态响应微环境变化，通过热产生、电刺激、ROS生成和药物释放等功能精准指导治疗。然而，支架敏感性不足、复杂体内环境干扰以及个体差异等因素影响治疗效果的重复性和再现性。未来研究需聚焦于多刺激精准识别、材料生物相容性优化以及临床转化挑战。4D打印、类器官整合和AI驱动设计等技术融合，有望实现支架个性化定制和动态功能预测，构建仿生、自适应和精准个性化的骨修复系统。