3D 打印胶原支架：骨组织工程的新希望

为解决骨组织工程中支架材料的问题，研究人员开展 FRESH 打印胶原支架研究，发现其性能良好，有望用于骨组织工程。

　　

在骨骼的 “修复魔法” 中，3D 打印技术正逐渐崭露头角。在骨组织工程领域，复杂骨折、肿瘤和感染等问题常常导致大段的骨缺损，这不仅给患者带来极大的痛苦，还对治疗手段提出了巨大挑战。传统的治疗方式往往需要多次复杂的手术，而骨组织工程的出现，为解决这一难题带来了新的思路，其核心在于创造可吸收的支架，将成骨细胞与合适的载体一起输送到骨缺损部位，从而减轻手术负担。

在众多支架材料中，合成聚合物和天然聚合物各有优劣。像聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）这样的合成聚合物，虽在骨、软骨和韧带等组织工程中有所应用，且具有低毒性和低免疫原性的优点，但缺乏生物活性表面表位，导致细胞黏附性较差；聚乳酸（PLA）虽可降解且生物相容性好，但临床应用效果也并非完美，如基于 PLA 的可吸收螺钉就被认为不如传统的金属螺钉。而天然聚合物中的 I 型胶原，由于在人体骨骼有机相中含量丰富，具备出色的生物相容性、可降解性以及与细胞膜受体的结合能力，成为了骨组织工程材料的理想候选者。然而，以往的胶原支架制造方法大多只能构建较为简单的 3D 几何形状，难以满足复杂的骨组织修复需求。

在此背景下，瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）的研究人员开展了一项关于 3D 打印胶原支架的研究，该研究成果发表在《3D Printing in Medicine 3,2》上。研究人员利用自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels，FRESH）技术，制造出了模仿松质骨小梁结构的胶原支架，并与 PEGDA 支架进行对比，旨在评估其材料特性和促成骨活性。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下关键技术方法：首先是 3D 打印技术，通过 Netfabb 软件设计模型，分别使用 SLA 和 FRESH 技术打印 PEGDA 和胶原支架；其次利用共聚焦显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对支架的孔隙率和表面形态进行观察；运用流变仪测定支架的流变学和力学性能；通过细胞培养实验，使用原代人成骨细胞（hOBs）和人骨肉瘤细胞系（SaOS-2）评估支架的促成骨性能。

研究结果如下：

• 支架的制备与结构：研究人员成功使用 FRESH 3D 打印和 SLA 3D 打印技术制造出具有类似松质骨小梁结构的支架。通过共聚焦显微镜观察发现，PEGDA 和胶原支架呈现出不同的多孔结构，PEGDA 支架的细丝直径更接近设计值，而胶原支架在打印过程中因使用 210μm 内径的针头，导致打印分辨率降低，细丝直径大于预期。SEM 图像显示，PEGDA 支架表面光滑，而胶原支架则具有复杂的纤维状 3D 网络结构。

• 支架的性能特点：对胶原支架进行振幅扫描分析，发现其储能模量（G′）始终高于损耗模量（G?），表明其主要表现出弹性行为，且具有适度的阻尼效应。压缩测试得到胶原支架的杨氏模量为 2.7±0.9kPa，低于先前报道的块状胶原凝胶的值。在降解性能方面，胶原支架在 4 周内出现明显质量损失，而 PEGDA 支架在相同时间内未发生降解。

• 细胞培养实验结果：在细胞培养实验中，hOBs 在 PEGDA 和胶原支架上培养时，碱性磷酸酶（ALP）活性相比 2D 培养显著增加，且在第 1 周时，在胶原支架上培养的 hOBs 的 ALP/LDH 比值高于 PEGDA 支架。SaOS-2 细胞在胶原支架上培养时，ALP 活性也呈现出高于 2D 培养和 PEGDA 支架的趋势，在第 4 周时差异具有统计学意义。通过共聚焦显微镜观察细胞形态，发现 hOBs 在支架表面生长较为均匀，而 SaOS-2 细胞在胶原结构内增殖更为明显，且两种细胞都能在胶原支架上良好地分布和浸润。

研究结论与讨论部分指出，FRESH 打印的胶原支架具有微孔结构和粘弹性力学行为，能够随着时间降解，并且具有良好的生物相容性，可支持不同成骨细胞的活性和定植。尽管其力学性能低于先前报道的胶原凝胶，但这种柔软的特性以及较快的降解速度在临床应用中可能具有独特的优势，例如可以随着骨缺损的愈合而逐渐被吸收。与 PEGDA 支架相比，胶原支架在促成骨活性方面表现出非劣效性，鉴于合成聚合物存在的免疫原性等缺点，这一研究结果为基于天然聚合物的复杂打印支架在骨组织工程中的进一步发展提供了有力支持，有望推动软天然聚合物在骨组织工程中的实际应用，为骨缺损患者带来新的治疗希望。