评估传统和常规骨组织支架制造方法的可持续性和商业可行性

《Sustainable Production and Consumption》：Evaluating the sustainability and commercial viability of conventional and traditional bone tissue scaffold fabrication methods

骨组织工程中立体光刻与电纺制备聚己内酯基骨 scaffold的可持续性比较研究，采用生命周期评估、 techno-经济分析和熵权可持续性指数，发现SLA在能耗（降低23%）、成本（USD4037/kg）及环保性（碳排放减少41%）上显著优于ES，尤其纳米填料增强后ES的溶剂消耗和生态毒性分别增加58%和27%，建议通过溶剂回收系统和绿色溶剂替代改善ES的可持续性。

　　骨组织工程（Bone Tissue Engineering, BTE）作为应对老龄化社会、慢性疾病以及每年数百万因道路交通事故导致的骨缺陷问题的重要手段，其应用潜力受到成本高昂、监管流程延迟以及医疗行业对环境的影响等因素的制约。这些挑战不仅限制了BTE技术的普及和推广，也影响了其在可持续发展道路上的进展。特别是，美国医疗体系占全国温室气体排放量的8.5%，并且这一比例还在持续上升。因此，为了实现骨组织工程的商业化和可持续发展，必须在经济可行性、监管效率以及环境友好性方面取得突破。本研究通过对比生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）、技术经济分析（Techno-Economic Analysis, TEA）以及基于熵权的可持续性指数（Entropy-Weighted Sustainability Index, SI）方法，全面评估了基于聚己内酯（Polycaprolactone, PCL）的支架制备过程中立体光刻（Stereolithography, SLA）和静电纺丝（Electrospinning, ES）两种技术的可持续性表现。

支架在骨组织工程中扮演着至关重要的角色，它们作为生物相容性的临时结构，能够模拟骨组织的结构并引导新组织的生长。随着骨相关疾病如骨质疏松症和骨关节炎在全球范围内的普遍性增加，以及人口老龄化的加剧，对先进治疗方法的需求也在不断上升。传统治疗方法如自体移植（autografts）和异体移植（allografts）虽然在临床中仍被视为标准方案，但它们各自存在显著的局限性。自体移植虽然具有良好的成骨活性，但受限于供体部位的可用性和移植量的限制，而异体移植则面临免疫排斥和疾病传播的风险。因此，研究人员不断探索新的支架材料和制备技术，以克服这些限制。

近年来，支架的制备技术经历了显著的演变，从传统的溶剂铸造、静电纺丝和冷冻干燥等方法，逐渐转向先进的增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术。这些技术能够提供更高的结构精度和设计自由度，从而满足复杂骨缺损修复的需求。例如，SLA技术以其逐层光固化的方式，能够在微米级精度上构建具有可控孔隙率和机械性能的支架，使其在需要高机械强度的应用中表现出色。相比之下，静电纺丝技术能够生成高度多孔的纤维膜，其纳米级纤维结构与天然骨组织的细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）高度相似，为细胞附着和蛋白质吸附提供了理想的表面环境。这两种技术在骨组织工程中各具优势，但它们的可持续性表现却存在显著差异。

本研究的重点在于评估SLA和ES两种技术在PCL基支架制备中的可持续性。首先，通过生命周期评估方法，分析了从原材料获取到最终产品废弃的整个过程中的环境影响。SLA技术由于其逐层光固化的过程，相比ES技术在单位质量支架的能耗方面表现出明显的优势。ES技术依赖于溶剂蒸发和高压纤维形成，这些过程需要消耗大量的能量和溶剂，从而增加了其环境负担。此外，ES技术中常用的氯仿等有毒溶剂，不仅增加了生产成本，还对环境和人体健康构成潜在威胁。相比之下，SLA技术在生产过程中能够实现更高效的能量利用，同时减少溶剂的使用量，使其在环境友好性方面更具优势。

其次，从经济角度来看，SLA和ES技术的成本结构也存在显著差异。尽管纳米填料的引入可能会增加两种技术的生产成本，但SLA技术在成本控制方面仍然表现出更强的竞争力。SLA技术的模块化设计和自动化生产流程，使其能够实现较高的生产效率和较低的单位成本。而ES技术由于其复杂的操作流程和高消耗的材料，导致生产成本居高不下。特别是在引入纳米填料后，ES技术的能耗、溶剂消耗和生态毒性均显著增加，这进一步凸显了其在经济和环境方面的劣势。

基于熵权的可持续性指数方法则为评估两种技术的综合表现提供了一个全新的视角。该方法通过量化经济和环境指标的变异性，为决策者提供了一个更加全面和科学的评价框架。结果显示，SLA技术在所有评估指标中均位居前列，其纳米填料增强版本也保持了良好的可持续性表现。而ES技术无论是否引入纳米填料，其在环境和经济方面的综合表现均较差，主要归因于其高能耗和高溶剂消耗的特性。这一发现表明，在追求可持续发展的背景下，SLA技术更有可能成为未来骨组织工程支架制备的主流方法。

为了进一步提升两种技术的可持续性，本研究还探讨了可能的改进措施。例如，引入溶剂回收系统，如冷凝和闭环循环技术，可以有效减少ES技术对溶剂的依赖，降低其环境影响。同时，使用绿色溶剂和可再生能源，也能在一定程度上缓解SLA技术的高能耗问题。这些措施不仅有助于提高生产效率，还能在经济和环境层面实现双赢。

在当前的研究背景下，骨组织工程的可持续性问题已经成为一个不可忽视的焦点。随着技术的不断进步和材料科学的深入发展，研究人员正在探索更加环保和经济的支架制备方法。例如，一些新型的纳米填料和生物活性材料的引入，使得支架在促进骨再生和血管生成方面表现出更强的性能。然而，这些材料的使用也带来了新的挑战，如生产成本的增加和环境负担的加重。因此，如何在保持支架性能的同时，降低其生产成本和环境影响，成为未来研究的重要方向。

此外，本研究还强调了监管流程对骨组织工程技术商业化的影响。目前，FDA的审批流程通常需要5到10年，这对新技术的推广构成了较大的障碍。为了加快技术的转化和应用，有必要在监管政策上进行调整，以适应快速发展的技术需求。同时，提高技术的可扩展性和标准化程度，也有助于降低生产成本和提高产品质量，从而推动骨组织工程的可持续发展。

综上所述，骨组织工程作为一项前沿技术，其发展不仅依赖于材料科学和生物医学工程的进步，还受到经济和环境因素的制约。SLA和ES两种技术在支架制备中的表现各有优劣，但SLA在能耗和成本方面具有明显优势，因此更符合可持续发展的要求。未来的研究应进一步探索如何优化这两种技术，使其在保持高性能的同时，更加经济和环保。此外，政策制定者和行业专家也应共同努力，推动监管流程的改革和可持续性标准的建立，以确保骨组织工程技术能够真正实现其在医疗领域的潜力，并为社会的可持续发展做出贡献。