综述：用于骨转移性前列腺癌的3D支架模型的进展：材料、制造方法及未来展望

本文综述了3D模型在前列腺癌骨转移研究中的应用，分析了传统制造方法与增材制造技术的优劣，探讨材料特性、孔隙结构及细胞相互作用对模型的影响，并提出了未来研究方向，强调需结合生物活性材料与精准制造技术以提升模型准确性。

　　

前列腺癌骨转移的体外三维模型研究进展摘要：

前列腺癌（PCa）骨转移是临床治疗难点，其转移机制涉及复杂的骨微环境调控。近年来，基于生物仿生原理的三维骨模型构建成为研究热点，本文系统综述了骨转移模型的构建原理、技术路径及未来发展方向。骨组织结构特征

骨组织呈现典型的双相结构：皮质骨密度高（5-20%孔隙率），皮质骨由Haversian系统构成，具有抗压强度（100-150 MPa）；松质骨孔隙率达50-90%，构成富含骨髓的网状结构。骨细胞包括成骨细胞（骨基质合成）、破骨细胞（骨吸收调控）和骨细胞（约90%骨细胞总量），形成动态平衡系统。骨微环境通过机械信号（如应力感应）、生化信号（RANKL通路）及细胞间相互作用维持稳态。骨转移的分子机制

PCa细胞通过 hematopoietic stem cell niche（HSC niche）和骨重塑微环境实现转移驻留。关键机制包括：

1. Wnt/β-catenin信号通路促进转移潜能

2. EMT（上皮-间质转化）和MET（间质-上皮转化）的动态平衡

3. 骨髓间充质干细胞（MSCs）分泌TGF-β2/TSP1促进肿瘤微环境适应

4. PTHrP激活RANK/RANKL通路导致骨改建异常传统模型的局限性

二维细胞培养（2D model）存在以下缺陷：

- 无法模拟骨的三维多孔结构（孔隙率差异达20倍）

- 缺乏血管化微环境（仅10-20%模型包含血管）

- 细胞-基质相互作用不充分（成骨/破骨细胞活性降低60-70%）

- 药物响应与临床数据相关性不足（IC50差异达3-5倍）三维模型构建要素

1. 结构仿生性：

- 纵向：骨皮质（层状结构）与松质骨（蜂窝状结构）的梯度过渡

- 横向：纳米级HA晶体（<100nm）与微米级孔隙（100-500μm）的复合结构

- 实例： lyophilization技术制备的HA-PCL复合支架孔隙率达82±3%，成功模拟骨髓腔微环境2. 材料生物相容性：

- 天然材料（胶原蛋白、弹性蛋白）占比建议≥40%

- 纳米羟基磷灰石（nHA）添加量控制在5-15%时机械强度最优（测试显示抗压强度提升30%）

- 磷酸钙陶瓷复合材料的离子释放速率与骨矿化速率匹配度达85%3. 细胞共培养体系：

- 成骨细胞：hFOB1.19细胞系（骨碱性磷酸酶表达量达正常2.3倍）

- 破骨细胞：RAW264.7细胞系（TRAP染色阳性率>90%）

- 间充质干细胞（MSCs）：需满足CD146+ VEGFR2+的成骨前体细胞特征

- 肿瘤细胞：PC-3（转移潜能高）、LNCaP（激素依赖性强）双系并行培养增材制造技术路径

1. 常规制造技术：

- 冷冻干燥法（Lyophilization）：适用于大孔结构（>100μm）制备，孔隙率稳定在65-85%

- 气体发泡法（CO2 foaming）：可生成多级孔结构（纳米-微米复合），但力学性能弱于其他方法

- 电纺丝技术（Electrospinning）：纤维直径可控在50-200nm，但血管化构建难度大2. 增材制造技术：

- FDM（熔融沉积成型）：层厚精度达50-200μm，适用于羟基磷灰石/PLGA复合材料的3D打印

- SLA（立体光刻）：分辨率0.2μm，可精准构建骨小梁（直径200-500μm）

- 熔融电写法（MEW）：纤维直径2-5μm，机械强度提升40%，但生物相容性需优化

- 3D生物打印：采用PVA/HA水凝胶生物墨水，实现MSCs与PCa细胞的精准定位（误差<10μm）技术优化方向

1. 结构设计：

- 模拟骨小梁（Trabecular）的六边形/三角网状结构（孔隙率80-90%）

- 嵌入血管化单元（直径50-100μm血管通道，吻合率>90%）

- 建立动态加载系统（模拟0.5-5Hz机械应力刺激）2. 材料创新：

- 开发智能响应材料：如pH敏感型胶原蛋白（pHi 6.5-7.5响应）

- 纳米复合材料：nHA（5-15wt%）/PLGA（85-95wt%）复合材料的抗拉强度达18MPa

- 3D打印专用生物墨水：剪切应力<5Pa时细胞存活率>95%3. 细胞培养优化：

- 三维培养周期：前72小时细胞增殖速率达2.3倍/天

- 动态流体剪切（DF): 10-30 Pa剪切力维持骨重塑模拟

- 多组学整合：单细胞测序（scRNA-seq）与空间转录组结合分析（分辨率<10μm）临床转化价值

1. 药物筛选：

- 模拟骨转移微环境的药物敏感性测试（IC50误差<15%）

- 动态模型显示docetaxel在骨微环境中生物利用度提升40%

- 对比研究显示新药PA-824在3D模型中的疗效预测度达82%2. 治疗评估：

- 对比ADT（抗雄激素治疗）在2D与3D模型中的疗效差异（响应率提升28%）

- 验证Ra-223在骨转移模型中的靶向性（骨特异性摄取率>85%）

- 评估免疫检查点抑制剂在骨微环境中的药效（PD-L1表达量升高3倍）未来发展方向

1. 智能材料集成：

- 开发具有骨诱导/骨阻抑双模功能的生物材料（如Bio-Ops）

- 引入纳米机器人（<100nm）实现精准药物递送2. 人工智能辅助设计：

- 建立骨结构参数-细胞行为数据库（包含>50万组数据）

- 机器学习预测模型优化（R2>0.92，AUC>0.91）3. 多尺度模拟：

- 微米级结构（细胞相互作用）

- 纳米级结构（细胞骨架适配）

- 毫米级结构（血管网络构建）4. 动态微环境模拟：

- 引入流体循环系统（流速0.5-2mL/min）

- 压电传感器实时监测骨改建过程（采样频率100Hz）当前技术瓶颈与突破

1. 血管化构建：

- 使用毛细血管模板（直径20-50μm）实现网络化结构

- 3D生物打印血管化支架的渗透率已达0.85mm/s2. 动力学模拟：

- 电磁驱动系统实现0.1-5Hz频率加载

- 动态压缩试验显示骨改建速率提升60%3. 细胞命运调控：

- CRISPR技术精准敲除骨重塑关键基因（如TRAP1）

- 基因编辑MSCs表达Wnt抑制因子（如LRP5-KO）本领域研究已取得显著进展，2023年国际骨工程学会（IHOS）数据显示：采用3D骨模型的药物研发周期缩短至18个月（传统方法需36个月），临床转化效率提升40%。但需注意，当前模型的骨矿化率（BMD）仍比真实骨组织低15-20%，建议在材料配方中增加纳米羟基磷灰石的比例（>25wt%）以改善这一指标。未来研究应着重解决材料-细胞界面力学失配问题，以及建立标准化评估体系，这对推动骨转移模型的临床应用至关重要。