提升骨支架制造：手动铸造与自动化3D生物打印技术的比较研究及其在组织工程中的应用价值

这篇综述通过对比手动铸造与自动化3D生物打印（bioprinting）技术，系统阐述了聚乳酸-羟基磷灰石（PLGA-HA）骨支架的优化策略。研究通过参数优化、材料处理改进和工艺精简化，显著提升了支架制造的效率、可重复性和规模化能力。自动化技术使处理时间缩短5倍，材料保留量翻倍（0.02354 g vs. 0.01169 g），并验证了其优异的细胞活性和粘附性（使用多能间充质基质细胞，HCMSC）。该成果为组织工程中精准、可扩展的骨修复方案提供了新范式。

　　

摘要

骨支架制造是组织工程发展的核心，但传统技术常面临规模化与可重复性挑战。本研究提出一种自动化3D打印与生物打印策略，通过优化打印参数、改进材料处理和精炼工艺流程，显著提升了聚乳酸-羟基磷灰石（PLGA-HA）支架的精度与效率。自动化技术将处理时间缩短5倍，材料保留量提升至0.02354 g（手动法仅0.01169 g），并通过体外实验证实了支架对多能间充质基质细胞（HCMSC）的优异支持能力。

引言

全球每年新增1.78亿例骨折，其中髋部骨折患者一年内死亡率高达25%。传统手术修复存在局限性，需依赖生物活性支架促进骨再生。然而，手动涂覆法存在效率低、一致性差等问题，尤其在复杂几何结构中表现不佳。本研究通过整合自动化3D打印技术，解决了材料黏度、覆盖均匀性等关键问题，为规模化生产奠定了基础。

材料与方法

实验流程：采用硼硅酸盐玻璃瓶和聚丙烯盖减少氯仿挥发干扰，以重量法替代体积测量。设计3D打印的聚乳酸（PLA）网状过滤器，实现高通量实验。
支架制造：通过溶剂蒸发法构建PLGA-HA多孔支架，使用Lulzbot生物打印机自动化涂覆，优化挤出速率（4 mm/s）和层高（2 mm）。5 mL注射器涂覆4个模具仅需3分46秒，效率较手动法提升5.6倍。
体外实验：人绒毛膜间充质基质细胞（HCMSC）培养显示，自动化支架细胞存活率达326,000 cells/mL，72小时内呈现显著粘附与铺展。

结果

结构对比：自动化支架孔径更均匀（390–710 μm vs. 手动251–1088 μm），SEM显示HA纳米颗粒分布均一，无局部聚集。
力学性能：压缩测试中，自动化支架弹性模量达0.77 MPa（手动0.48 MPa），最大抗压强度1.6 MPa，符合骨组织工程需求。
化学分析：FTIR证实自动化工艺未改变PLGA的酯基（1751 cm^?1
）和HA的磷酸盐峰（1026 cm^?1
）。

讨论

自动化技术通过精准控制沉积路径和溶剂蒸发，实现了支架几何结构与材料性能的高度可控。其效率优势（5倍时间节省）和双倍材料保留量，为临床大规模应用提供可能。未来可进一步探索复合生物墨水（如胶原/β-TCP）与动态培养条件的结合，以模拟天然骨微环境。

结论

本研究证实自动化3D生物打印在骨支架制造中的变革性潜力，其可重复性、规模化及生物相容性优势，为组织工程从实验室向临床转化提供了关键技术支撑。