综述：光固化3D打印梯度支架用于骨软骨组织再生

这篇综述系统阐述了光固化（VPP）3D打印技术在骨软骨（OC）梯度支架构建中的前沿进展，重点分析了立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）和双光子聚合（2-PP）等技术在模拟OC组织复杂梯度结构（如孔隙率、机械性能、生物活性分子递送）的优势，并探讨了人工智能（AI）优化设计及临床转化挑战。

　　

光固化3D打印梯度支架用于骨软骨组织再生

引言

骨软骨（OC）组织因缺乏血管和神经而自我修复能力有限，其复杂的梯度结构（非钙化软骨、钙化软骨和软骨下骨）使传统手术效果不佳。组织工程通过构建仿生梯度支架成为潜在解决方案，其中光固化（VPP）3D打印技术（如SLA、DLP、2-PP）凭借高精度和可控性成为研究热点。

骨软骨组织工程支架

解剖学基础：OC组织分为三层——非钙化软骨（含浅层、中层、深层）、钙化软骨和软骨下骨，各层细胞形态、ECM组成（胶原、水、矿物质）及机械性能（刚度、抗压强度）呈梯度变化。

支架类型演进：

• 单层支架：早期采用均质材料（如PCL、PLGA），但无法模拟梯度特性。
• 双层支架：结合软骨（如GelMA）和骨（如HA/PCL）层，但仍缺乏钙化软骨过渡区。
• 梯度支架：通过连续变化的孔隙率（30%-85%）、成分（GelMA/PEGDA/nHA）和机械性能（弹性模量1.4-3.8 MPa），更接近天然OC结构。

光固化技术优势

1. SLA：激光逐点固化，分辨率达10-100 μm，可制造仿生孔隙结构（如螺旋孔）。例如，Melchels等开发的PDLLA-MA支架通过孔隙梯度（250-500 μm）调控细胞分布。
2. DLP：微镜阵列投影整层固化，速度更快。Schoonraad等通过垂直柱密度梯度（6%-25%）实现弹性模量0.5-4 MPa的调控。
3. 2-PP：亚微米级分辨率，但打印速度慢，目前多用于微结构研究。

材料与功能化

• 基质材料：天然聚合物（GelMA、胶原）提供生物相容性，合成聚合物（PEGDA、PCL）增强力学性能，无机填料（β-TCP、HA）模拟骨相矿化。
• 光引发剂：I2959（水溶性）、TPO（高效非水体系）需平衡固化效率与细胞毒性。
• 生物活性因子：TGF-β₁和BMP-2促进软骨/骨分化，表面功能化（如赖氨酸纳米管涂层）增强细胞粘附。

挑战与未来方向

• 临床转化：需解决灭菌稳定性、长期降解性及规模化生产问题。
• AI优化：机器学习可预测参数（如UV曝光时间）对细胞活性的影响，加速设计迭代。
• 监管壁垒：3D打印OC支架属III类医疗器械，需复杂临床验证。

结论

VPP技术为OC梯度支架提供了前所未有的精度和功能可调性，结合多材料打印和计算模型，有望推动个性化骨软骨修复方案的临床落地。