综述：骨科学中的增材制造：潜力与进展的前沿综述

这篇前沿综述系统阐述了增材制造（AM/3D打印）技术在骨组织工程中的革命性应用，涵盖选择性激光烧结（SLS）、立体光刻（SLA）等核心技术，重点解析了其通过定制化支架/植入体（如Ti-6Al-4V合金、羟基磷灰石HA/β-TCP复合材料）促进骨再生（osseointegration）的机制，同时探讨了材料限制与监管挑战。

　　

骨科学中的增材制造：潜力与进展的前沿综述

摘要

增材制造（AM）又称3D打印，正在重塑骨组织工程领域。通过融合计算机辅助设计（CAD）与生物材料科学，该技术可构建高度仿生的多孔支架和患者特异性植入体，显著提升骨缺损修复效果。从钛合金（Ti-6Al-4V）到生物活性陶瓷（如HA/β-TCP复合材料），AM实现了对材料孔隙率、机械性能和生物活性的精准调控，为传统骨移植术提供了创新替代方案。

1. 引言

全球老龄化加剧使骨缺损治疗需求激增。传统自体移植存在供区并发症风险，而AM技术通过CT/MRI数据构建解剖匹配的植入体，解决了异体移植的免疫排斥问题。例如，选择性激光烧结（SLS）可制造孔隙率达80%的钛合金支架，其弹性模量（55-110 GPa）与天然骨（<30 GPa）接近，有效避免应力屏蔽效应。

2. 增材制造基础技术

2.1 骨应用相关AM工艺

• 立体光刻（SLA）：采用紫外光固化生物树脂，打印精度达26 μm，适用于颌面骨修复。
• 粉末床熔融（PBF）：包括SLS和电子束熔化（EBM），可加工钛合金与钴铬合金，孔隙结构促进血管长入。
• 熔融沉积建模（FDM）：经济型方案，常用聚己内酯（PCL）打印临时骨固定装置。

2.2 关键材料体系

• 金属材料：多孔钛（弹性模量55 GPa）和可降解镁合金（抗压强度>200 MPa）成为研究热点。
• 生物陶瓷：羟基磷灰石（Ca₁₀
  (PO₄
  )₆
  (OH)₂
  ）与β-磷酸三钙（β-TCP）复合支架展现优异骨传导性。
• 聚合物复合材料：PLGA/HA混合材料通过FDM打印，压缩强度达54 MPa。

3. 骨修复与再生应用

3.1 定制化植入体

通过EBM技术制造的钛合金髋臼杯，表面改性后骨整合时间缩短30%。临床数据显示，3D打印颅骨植入体（HA材质）术后1年融合率达92%。

3.2 骨组织工程支架

梯度孔隙设计（100-500 μm）的PCL/β-TCP支架促进成骨细胞迁移，碱性磷酸酶（ALP）活性提升2.4倍。磁性Fe₃
O₄
纳米颗粒的引入更实现磁热疗协同骨再生。

3.3 骨科手术革新

AM打印的截骨导板使膝关节置换精度达±0.5 mm，手术时间缩短25%。个性化钛合金椎间融合器实现零螺钉松动病例。

4. 挑战与展望

当前限制包括：

• 材料瓶颈：可降解镁合金的腐蚀速率控制仍需优化
• 监管壁垒：FDA对AM植入体的认证流程尚待标准化
  未来方向聚焦4D打印（时间响应性支架）和基因激活生物墨水开发。

结论

增材制造正推动骨修复从"标准化"向"精准医疗"跨越。随着多材料打印和人工智能设计的融合，下一代AM技术有望在10年内实现骨缺损的完全生物功能性重建。