综述：3D打印实现仿生信号空间图案化用于骨组织工程

这篇综述系统阐述了3D打印技术在骨组织工程(BTE)领域的突破性应用，重点探讨了通过多材料打印实现生物活性分子（GFs、ECM等）的时空梯度递送策略，为血管化骨、骨软骨界面及骨-肌腱复合体等复杂结构的仿生重建提供了创新解决方案。

　　

3D打印作为骨诱导信号各向异性呈现的工具

骨骼独特的力学梯度结构——多孔的松质骨与致密的皮质骨——要求再生支架具备精确的力学适配性。3D打印通过多喷头系统实现羟基磷灰石(HA)与聚合物(PCL/PLGA)的交替沉积，构建出压缩强度达120 MPa的仿生骨小梁结构。更精妙的是，通过轴向梯度打印技术，可在单块支架中实现从松质骨区(孔隙率80%)到皮质骨区(孔隙率30%)的连续过渡，完美模拟天然骨组织的机械传导特性。

具有成骨特性的生物信号

骨微环境中的信号分子可分为三大类：

1. 生化信号：如BMP-2/VEGF通过激活Smad/ERK通路诱导成骨分化；
2. 生物物理信号：纳米级表面拓扑结构(₅₀nm凹凸)促进成骨细胞粘附；
3. 生物力学信号：15%周期性应变通过YAP/TAZ通路增强骨基质沉积。

其中，外泌体作为新型信号载体表现突出——来自骨髓间充质干细胞(BMSCs)的外泌体miR-29b可通过抑制DKK1表达，使成骨效率提升3倍。

生物分子在3D打印支架中的整合策略

物理负载法：将BMP-2与温敏水凝胶(如GelMA)共混，实现pH响应性释放，但存在突释风险(首日释放量达60%)。共价固定法：通过EDC/NHS活化将RGD肽段接枝到丝素蛋白支架，使细胞粘附率提升200%。最新发展的"生物墨水编程"技术更突破性地实现了生长因子的四维控制释放——例如将VEGF包裹在载银纳米颗粒中，只有当巨噬细胞分泌MMP-2时才会触发释放。

血管化骨形成的空间图案化

哈佛团队开发的"血管树"打印技术令人瞩目：采用牺牲性Pluronic F127墨水打印微通道网络(最小直径50μm)，随后灌注HUVECs细胞，最终形成具有毛细血管网的功能性骨单位。更巧妙的是，通过同轴打印技术可构建VEGF⁺/BMP-2⁺的双层微纤维——外层VEGF促进血管长入，内层BMP-2引导骨沉积，实现"边血管化边成骨"的协同效应。

骨软骨界面再生

针对关节修复的"三明治"支架取得重大进展：上层含TGF-β3的透明质酸水凝胶促进软骨形成；中间层含BMP-2的纳米粘土增强胶原纤维引导钙化；底层HA/PCL复合材料提供力学支撑。这种阶梯式释放系统使Ⅱ型胶原分泌量达到天然软骨的85%。

骨-肌腱界面工程

模仿天然插入位点的"梯度矿化"策略大放异彩：通过电场辅助打印，使羟基磷灰石晶体沿纤维方向梯度排列，形成从肌腱区(矿化度5%)到骨区(矿化度60%)的连续过渡，其界面剪切强度达到天然组织的90%。

现存挑战与未来方向

当前瓶颈在于：①多材料打印的界面结合强度不足；②动态释放曲线与体内微环境匹配度待提升。新兴的4D打印技术或许能破局——比如采用形状记忆聚合物制造的支架，可在体温触发下从扁平结构自组装为三维骨小梁，同时释放封存的生长因子。

这项技术革命正将"按需打印活性骨"的愿景变为现实，未来或可实现创伤、骨肿瘤等复杂病例的个性化修复。