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这篇综述聚焦 3D 打印支架技术在骨缺损修复领域的应用。详细探讨了支架材料选择、结构优化、生物功能化等方面，分析了当前面临的挑战，并展望了 4D 动态支架、智能材料等创新方向，为骨缺损修复研究提供全面参考。
引言
骨头虽有强大的再生能力，但在一些病理情况下，比如因创伤、感染、病理性骨折导致的骨缺损，其再生会受到影响。目前，骨移植是治疗骨缺损的主要方法，其中自体骨移植因组织相容性好、能快速与缺损部位融合且免疫排斥低，成为首选。不过，它存在供应不足的问题。同种异体骨移植虽来源相对广泛，但存在骨诱导性能降低、再生能力不足和免疫反应等挑战。因此，开发新型骨移植材料迫在眉睫。3D 打印技术制造的骨组织支架，因其可大规模生产、具备良好机械性能和生物相容性，为骨缺损治疗带来新希望。
支架的性能概述
理想的骨组织支架需要满足特定生物学和机械标准。
- 生物相容性：指材料在特定应用中引发适当宿主反应的能力。支架作为外来物易引发免疫反应，选择高生物相容性材料至关重要，像天然材料（如胶原蛋白、弹性蛋白）和主流合成材料（如 PCL、β-TCP）都有不错的生物相容性，能促进细胞生长和骨缺损愈合 。
- 结构特征：仿生特性很关键，高孔隙率、相互连通的孔隙和特定表面修饰的支架可模拟天然细胞外基质（ECM），促进血管化和细胞行为调节。合适的孔隙率和孔径对骨组织工程意义重大，不同组织对孔隙大小要求不同，且支架机械强度需与孔隙率平衡，理想的支架机械强度应接近皮质骨 。
- 生物降解性：支架材料的降解速率要与骨组织再生速率匹配。研究人员通过使用复合材料（如 SrCSH 和 Sr-TCP 的组合）来调整降解速率，同时要确保降解产物无毒，合适的孔隙率有助于代谢废物排出，促进成骨细胞代谢活动 。
- 支架溶胀率：溶胀特性受材料亲水性和渗透性影响。不同应用场景对支架溶胀率要求不同，如注射用的水凝胶支架需要较高溶胀率，而长期提供机械支撑的支架则溶胀率要低。溶胀会影响支架结构和降解过程，控制水凝胶溶胀率对开发相关支架很重要 。
- 血管生成能力：支架的大孔隙为内皮细胞生长和血管形成提供有利环境，充足的血液供应对骨细胞获取营养和氧气、促进组织再生至关重要。调节血管生成相关因子（如 HIF-1α 和 VEGF）可促进血管生成，许多支架材料本身就有促血管生成功能 。
此外，支架上负载的细胞类型对植入效果影响很大，干细胞（如间充质干细胞 BMSCs）在骨组织工程再生中发挥重要作用。
材料选择（主流材料分类）
- 金属：金属材料（如不锈钢、钛合金）因机械强度高、生物相容性好，在骨科手术中应用广泛，但存在不可降解、弹性模量高（可能导致应力屏蔽效应）、金属离子中毒风险等问题。钛合金（如 Ti6Al4V）是常用的骨植入材料，通过表面改性（如涂覆 SiHA 和 VEGF）可增强其表面活性和骨整合能力。镁合金因具有可降解性和生物活性受到关注，但其快速腐蚀的特性限制了应用。钽金属因结构特性和良好生物活性，在骨支架研究中逐渐受到重视 。
- 聚合物：聚合物在生物医学领域应用广泛。天然聚合物（如胶原蛋白）生物相容性好、来源丰富，但机械性能不足。合成聚合物（如 PCL、PLGA）强度高、可加工性强、降解速率可控，但生物活性低、疏水性强。为弥补单一材料的缺陷，研究人员开发了复合支架，如将天然与合成聚合物复合，或金属与天然聚合物复合 。
- 生物陶瓷：生物陶瓷是骨组织工程支架的主要材料，具有高强度、良好生物相容性、生物活性和骨诱导传导性，但存在降解性和机械强度不足、脆性大的问题。常见的生物陶瓷包括羟基磷灰石（HA）、β- 磷酸三钙（β-TCP）、生物活性玻璃等。HA 常与天然聚合物用于修复骨缺损，但降解慢、机械性能弱。生物活性玻璃能促进骨再生、具有抗菌性，但脆性和降解问题限制了其在承重骨生长中的应用 。
材料的特殊加工方法
为改善材料性能，研究人员采用表面改性涂层技术。例如，用羟基磷灰石涂层可增强金属与骨的整合、减少金属腐蚀和离子毒性。在许多情况下，还会在支架中添加骨相关生长因子（如骨形态发生蛋白 BMP-2）来促进骨组织愈合，提升支架功能 。
生物打印
- 打印方法：生物打印技术的发展对 3D 骨缺损修复支架至关重要。喷墨式生物打印成本低、制造速度快，但精度低；选择性激光熔化（SLM）能制造高精度、复杂形状的支架，但成本高、制造速度慢且可能损伤细胞；挤出式生物打印（如熔融沉积成型 FDM）应用广泛，具有沉积和打印速度快、利于细胞负载等优点，但打印形状和精度受限 。
- 材料兼容性：生物打印中，支架材料的选择影响细胞活性和结构完整性。水凝胶因高含水量和生物相容性常用，但机械性能和可打印性差，可通过双交联等方法改善。陶瓷材料用于需要高机械强度的骨组织工程，但含陶瓷的生物墨水粘度高，需开发新的流变改性剂和交联策略来提高可打印性 。
临床应用、挑战与展望
3D 打印技术已应用于骨科手术，如定制人工椎体、修复下肢骨缺损等。然而，骨缺损治疗仍面临诸多挑战：
- 血管化：在细胞负载的骨组织支架中，微血管再生困难，可通过在支架材料中引入人工微血管结构或控制释放促血管生成物质来改善 。
- 模拟天然骨组织结构：天然骨组织具有分层结构，当前 3D 打印技术分辨率有限，难以精确模拟，需要开发更高精度的打印机 。
- 抗菌特性：感染性骨缺损治疗困难，全身使用高剂量抗生素有副作用且易产生耐药菌株，可通过纳米材料封装抗生素实现靶向持续释放 。
- 成本：3D 打印成本限制其应用，可通过优化结构设计、开发廉价打印材料和实现大规模生产来降低成本 。
此外，4D 打印策略为骨缺损治疗带来新方向，它能使支架对外部刺激产生动态响应，根据不同恢复阶段调整支架特性，提高治疗效果 。
结论
骨缺损是骨科和重建医学的难题，3D 打印支架为其修复带来希望。通过材料创新、结构优化和生物功能化，3D 打印支架性能不断提升。但要实现更好的临床效果，还需解决血管化、感染预防、骨整合等问题。未来，结合 4D 打印、人工智能设计优化和先进生物反应器等新兴技术，有望推动 3D 打印支架在骨缺损修复领域取得更大突破，实现从结构替代到组织再生的转变 。
