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为解决肌肉骨骼系统组织界面损伤修复难题，研究人员开展 3D 打印技术用于肌肉骨骼组织工程研究，发现其能构建仿生支架促进组织再生，对治疗相关疾病意义重大。
肌肉骨骼系统（musculoskeletal system）是一个由多种组织构成的复杂网络，它们协同工作，为身体提供结构支撑、保护，并实现身体的运动功能。在这个系统中，像骨与软骨之间、椎间盘、肌腱 / 韧带与骨之间以及肌肉 - 肌腱连接点等关键界面，都有着独特的非均质结构和成分梯度。这些梯度对于调节生物物理和生化特性至关重要，能够确保机械力和生化信号在不同组织类型之间顺利传递。然而，由于其结构复杂且承受着较高的机械负荷，这些界面特别容易受到损伤，尤其是在老年人群体中。这可能进一步引发如骨关节炎（osteoarthritis）、椎间盘退变（intervertebral disc degeneration）和肌腱 / 韧带撕裂等使人衰弱的病症。全球范围内，肌肉骨骼疾病（musculoskeletal disorders）的患病人数约达 13 亿，包括下背痛、颈痛、骨关节炎、类风湿关节炎和痛风等，这些疾病在美国造成了高达 4200 亿美元的医疗支出，带来了沉重的经济负担。因此，修复和再生受损的组织界面对于维持关节健康、预防退行性疾病以及实现无痛、顺畅的身体运动至关重要。
传统的组织工程方法通常采用由均质材料（如聚乳酸）构建的简单支架设计（如单一结构），并且仅接种单一细胞类型（如成纤维细胞）。尽管这些支架应用广泛，但它们与天然组织界面存在显著差异，天然组织界面具有复杂的结构和成分梯度。这种根本性的不匹配极大地削弱了支架模拟天然组织复杂结构和功能的能力，从而影响了其治疗效果，也阻碍了它们在临床中的应用转化。鉴于这些局限性，迫切需要创新的方法来更有效地应对组织界面再生所面临的挑战。
近年来，3D 打印技术作为一种强大的制造技术崭露头角，可用于制造个性化的支架。它在结构、化学和生物学特性方面显著提高了支架的制备精度。该技术利用一系列生物相容性材料（如聚合物、陶瓷和水凝胶），能够制造出高度模拟天然组织环境的支架。这些支架经过精心设计，具有渐变的机械性能，并融入了引导组织再生所必需的生化信号。此外，在支架中整合生长因子、药物和活细胞，进一步增强了其再生潜力，有助于构建功能性的组织界面。值得注意的是，先进的 3D 打印技术，如多材料打印、生物打印以及 4D/5D 打印，为构建复杂的仿生支架提供了更多可能。这些创新技术使支架能够更精确地模拟天然组织界面，促进组织再生和整合。因此，3D 打印技术有望彻底改变肌肉骨骼系统中组织界面工程的发展，实现复杂组织界面更好的整合和再生。
例如，在骨软骨组织工程（osteochondral tissue engineering）中，支架可以设计成具有分层结构，从较硬的类似骨的底部到较软的类似软骨的顶部，呈现出生物力学梯度，模仿天然的骨软骨界面（bone-cartilage interface，BCI）。同样，在椎间盘再生（intervertebral disc regeneration）中，支架的设计可以使水凝胶的特性呈现梯度变化，从类似髓核的较软中心区域到类似纤维环的较硬周边区域，有效地复制天然椎间盘组织的生物力学特征。利用 3D 打印技术和生物材料科学的最新进展，研究人员现在能够构建复杂的仿生支架，更精确地复制天然组织界面，促进组织再生和整合。随着该领域研究的不断推进，预计 3D 打印支架在肌肉骨骼疾病的治疗和改善患者预后方面将发挥越来越重要的作用。
在肌肉骨骼组织界面工程中，生物材料起着至关重要的作用。它们作为替代物，具有生物活性或非生物活性，其功能与目标组织相似、相同甚至更优越，能够引发或促进人体复杂多样的物理和生理活动。肌肉骨骼界面包含硬 - 硬（如软骨 - 骨界面）组织、软 - 硬（如肌腱 / 韧带 - 骨界面）组织以及软 - 软（如肌肉 - 肌腱）组织。
借助计算机辅助设计和制造技术，3D 打印能够在空间尺度上精确排列材料，形成具有生物活性和功能性的仿生形态及生物结构。3D 打印的基本原理是在计算机的控制和辅助下，驱动 3D 打印机的喷头在三维空间中移动，将数字设计转化为实体物体。在这个过程中，墨水（材料或材料粘合剂）被……
骨软骨界面（BCI）是关节功能的重要组成部分，具有复杂的多层结构，在应力分布、载荷传递和关节力学方面发挥着关键作用。该界面由三个不同的层组成：关节软骨、钙化软骨和软骨下骨，每一层都具有独特的结构和生化梯度，有助于实现关节间的顺畅运动和有效的载荷管理。
尽管 3D 打印在肌肉骨骼组织工程领域取得了显著进展，但要将这些技术转化为临床实践，仍需克服一些挑战。一个主要问题是缺乏能够复制天然组织复杂机械和生物学特性的生物相容性可打印材料。虽然已经使用了聚合物、陶瓷和水凝胶等材料，但许多材料缺乏维持…… 所需的强度、弹性或降解速率。
3D 打印在肌肉骨骼组织工程领域正在迅速发展，新技术、新材料和新应用以前所未有的速度不断涌现。与其他先进制造技术（如机器人装配、机器学习和人工智能）的融合具有巨大的潜力。这些技术可以根据患者的特定数据和反馈，实现复杂组织构建体的设计、制造和质量的自动化和优化。
作者声明他们没有已知的可能影响本文所报道工作的竞争性财务利益或个人关系。
本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金的广东 - 佛山联合基金（2020B15153000）、国家自然科学基金优秀青年科学基金（82122002）和青年项目（82202693）、香港创新科技署创新及科技基金（ITS/085/21）以及香港研究资助局协作研究基金（C5044 - 21G）的支持。此外，还要感谢来自…… 的张珊珊女士。
