综述：聚己内酯基复合支架在组织工程中的制备与应用：综述

《Materials Today Communications》：Fabrication and application of polycaprolactone-based composite scaffolds in tissue engineering: A review

本文综述了聚己内酯（PCL）基复合支架在组织工程中的应用，系统比较了电纺、3D打印、冷冻干燥和相分离四种制备技术的结构特性与机械性能，探讨了天然/合成聚合物及无机添加剂的改性策略，并评估了其在骨、皮肤、神经等再生医学中的效能与挑战。未来需结合智能设计、跨学科合作及可持续制造以推动临床转化。

　　PCL，即聚ε-己内酯，作为一种广泛应用于组织工程的可生物降解高分子材料，因其良好的生物相容性、可加工性和机械性能的可调性而受到高度重视。然而，PCL在临床应用中仍面临一些固有的局限，如疏水性、生物活性不足以及降解速度较慢等问题。这些问题限制了其在某些特定组织修复中的应用，尤其是在需要细胞有效迁移和组织快速再生的场景中。因此，本文系统回顾了基于PCL的支架材料，重点探讨了其制备策略、复合材料改性以及在不同组织工程应用中的性能表现。通过比较四种主要的制备技术——静电纺丝、3D打印、冻干和相分离，文章从结构特征、机械性能、可扩展性以及生物功能等多个角度分析了它们的优缺点。此外，还讨论了各种材料改性策略，包括天然聚合物（如明胶、壳聚糖、胶原蛋白）、合成聚合物（如聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙二醇）以及无机或导电添加剂（如羟基磷灰石、金属氧化物、碳纳米材料）对支架生物活性、降解速率和组织特异性功能的影响。文章还提供了针对骨组织、皮肤组织、神经组织、韧带、软骨、牙科及牙周组织再生的应用特定见解，并探讨了其在心脏、肺部和肝脏修复中的新兴角色。同时，文章也强调了在智能支架设计中，计算建模和人工智能技术的最新进展，以及可持续性、灭菌和监管等临床转化面临的挑战。尽管目前存在一些限制，基于PCL的支架材料在个性化和功能性组织再生方面展现出巨大潜力。未来的研究应着重于多尺度制备技术的整合、响应性材料的开发、绿色制造工艺的引入以及标准化评估协议的建立。跨学科的合作将是克服转化障碍并实现基于PCL的生物材料在再生医学领域临床潜力的关键。

组织损伤可能对生命构成严重威胁，因其可能导致关键器官（如脑、肺、心、肝）的功能受损，引起严重出血（如肝或脾破裂），并引发致命并发症，如感染和多器官衰竭。此外，组织损伤还会破坏免疫、神经和内分泌等重要调控系统。例如，在严重烧伤的情况下，死亡率主要归因于组织坏死导致的体液流失和感染。根据世界卫生组织（WHO）的数据，2023年亚美尼亚燃料库爆炸事件中，死亡率超过了56.7%。骨折同样是一个全球性的健康问题，对发病率、死亡率和经济社会造成重大影响。WHO预测，到2030年，包括德国、法国、英国、意大利、西班牙和瑞典在内的多个国家，脆弱性骨折的年度成本将增加27%。组织工程作为解决这些问题的重要策略，通过促进受损或不可再生组织的修复和再生，提供了新的治疗途径。组织工程的基本原理结合了细胞生物学、材料科学和工程学的知识，旨在构建具有功能性的组织替代物。标准的组织工程方法包括三个核心步骤：（1）种子细胞的分离和扩增，（2）在可生物降解支架上的细胞接种和培养，以及（3）体内组织重建的植入。

自1970年代引入生物医学应用以来，PCL因其良好的加工性、生物相容性和生物降解性而被广泛使用。然而，其疏水性和相对较高的成本仍然是进一步应用的障碍。当前研究的重点是通过引入亲水性或低成本的添加剂来改善细胞与材料的相互作用并降低成本，同时保持材料的机械和结构完整性。为了提高生物性能，诸如纤维素及其衍生物、明胶、胶原蛋白、壳聚糖、琼脂糖水凝胶以及各种植物来源的成分已被频繁整合到静电纺丝PCL基质中。这些组合相较于纯PCL，不仅提高了生物活性和营养渗透性，还保留了比仅由天然材料组成的支架更高的机械强度。与此同时，PCL常与合成聚合物（如聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA、聚乳酸PLA、聚乙二醇PEG和聚乙烯醇PVA）结合，以调节降解速率并进一步优化支架的性能。此外，功能性无机成分，如金属氧化物、磷酸基化合物（如羟基磷灰石HA、磷酸钙）、碳纳米管（CNTs）和石墨烯，被越来越多地用于增强机械强度和电导率。由于这些功能性的提升，基于PCL的支架已被广泛应用于骨组织、皮肤组织、神经组织、牙科、软骨和血管组织工程。

组织工程通过使用合成生物材料复制细胞外基质（ECM）的结构和功能，为组织修复提供了一种实用的方法。支架作为其核心组成部分，通常通过静电纺丝、3D打印、冻干或相分离方法进行制造。每种方法都会产生不同的结构结果：静电纺丝生成纳米纤维网络，3D打印可以精确控制结构的几何形状，冻干形成柔软多孔的基质，而相分离则产生泡沫状结构。它们的性能取决于降解性、生物相容性、生物活性、机械强度和成本之间的平衡。从Web of Science数据库中获取的数据表明，静电纺丝和3D打印的研究趋势呈稳步增长和急剧上升，而冻干和相分离方法仍相对较少被研究。类似的趋势也出现在基于PCL的支架研究中，其中静电纺丝和3D打印方法占主导地位。尽管基于PCL的支架研究已经相当广泛，但关键的知识空白仍然存在，尤其是在不同制备技术的系统比较和针对特定应用的定向改性策略开发方面。

因此，进行系统综述是必要的，以阐明不同的制备方法和材料改性如何影响基于PCL支架的结构、机械和生物性能。这种洞察力对于指导特定应用的材料选择、加工策略和功能化方法至关重要。本文通过批判性评估四种代表性制备技术——静电纺丝、3D打印、冻干和相分离，重点分析了它们的基本原理、优势、局限性以及所生成支架的特性。通过比较分析，评估了每种制备方法及其相关功能性添加剂在各种组织工程应用中的适用性，包括骨组织、皮肤组织、神经组织、韧带、软骨、血管、牙科和内脏组织修复。此外，还讨论了跨学科的考虑因素，如临床转化挑战、计算建模和人工智能在支架设计中的整合，以及制造方法的可持续性和可扩展性。通过综合当前进展并突出研究空白，本文旨在为未来基于PCL的支架开发和临床应用提供全面的参考。

静电纺丝技术为制造具有可控形态的纤维支架提供了一种成本效益高且可扩展的方法。其基本设置和工作原理如图2a和b所示。典型的静电纺丝装置包括注射泵、注射器、喷丝头、高压电源和导电收集器。在该过程中，聚合物溶液通过喷丝头挤出，由于表面张力形成液滴。当施加的静电场力超过表面张力时，液滴会拉伸成泰勒锥并射出带电的射流。射流最初沿直线运动，但随后因弯曲不稳定性而转变为摆动运动。随着射流变细，溶剂蒸发，导致纤维固化，最终沉积在收集器上。静电纺丝膜具有高表面积、多孔性和可调节的微结构。纤维特性主要受（a）聚合物溶液的性质（如分子量、浓度、粘度和电导率）、（b）工艺参数（如电压、收集器距离和流速）以及（c）环境条件（如温度和湿度）的影响。这种方法能够生成纳米到微米级的纤维，这些纤维在结构上与天然ECM非常相似。然而，PCL的疏水性限制了细胞附着和营养物质的扩散。为此，开发了多种复合策略以提高基于PCL的静电纺丝支架的生物功能。例如，Surucu等人制造了核心-壳结构的PCL/壳聚糖（CS）支架，显示出更大的孔径（3.17?±?0.65?μm）、更低的水接触角（WCA, 78.2?±?2.5°）和更优的细胞附着性能。此外，静电纺丝膜的柔软和灵活特性使其特别适合再生如皮肤、血管和神经等精细组织，这些组织对可塑性和机械适应性有较高要求。

3D打印技术在组织工程中已成为关键技术，能够制造具有明确、互连多孔结构的支架，以支持细胞浸润、增殖和营养输送。通过计算机辅助设计（CAD）和逐层沉积，这种技术提供了精确的结构控制，使其成为个性化和解剖学特定应用的理想选择。常见的3D打印方法包括熔融沉积成型（FDM）、直接粉末挤出和电喷射（E-jetting）。支架的特性，如孔径、纤维宽度和机械强度，受到打印速度、挤出率、温度和气体压力等参数的影响。尽管分辨率通常低于静电纺丝，静电纺丝能够达到纳米到微米级的特征，3D打印在制造较大、结构复杂的构造方面表现出色。PCL因其良好的生物相容性、生物降解性、低熔点（约60°C）和合适的流变性能而被广泛用于3D打印支架。为了进一步提高功能性，它常与金属颗粒、无机填料（如HA）或其他聚合物结合，以增强机械性能、导电性和应用特定特性。基于3D打印的PCL支架因其高结构保真度和机械强度，适用于各种组织工程应用，特别是骨、软骨和牙科再生。例如，Liu等人研究表明，PCL/SrHA支架在大鼠颅骨缺损模型中显著促进了新骨形成，相较于纯PCL表现出更好的效果。镁基添加剂（如Mg纳米颗粒、MgO）进一步提高了降解速率和血管生成潜力，从而加速了骨再生。Dong等人还发现，Mg/PCL复合材料（3?wt% Mg）在体内增强了生物相容性和骨生成能力。此外，诸如明胶、丝蛋白（SF）、细菌纤维素（BC）和聚乳酸（PLA）等生物聚合物的加入也提高了水亲和性、压缩强度和细胞附着能力。Vyas等人报告称，将10?wt%的丝微粒（SMP）加入PCL支架中，显著提高了机械性能并支持脂肪来源的干细胞（ADSCs）的成骨分化。其他改性策略，如PEG诱导的微孔调节、梯度结构设计、静电纺丝/3D打印的结合、通过NaOH表面活化固定胶原蛋白以及表面涂层，进一步增强了细胞-材料相互作用。特别是，3D打印的PCL/磁性介孔生物玻璃（MMBG）/氧化铝纳米线支架，通过CS和CS/多壁碳纳米管（MWCNTs）复合材料涂层，表现出显著增强的压缩强度、亲水性和生物活性，同时减少了降解速率。这些改性措施也促进了细胞附着、增殖和成骨分化，突显了其在骨组织工程中的巨大潜力。此外，集成功能性成分，如石墨烯、银纳米颗粒（AgNPs）和聚苯胺（PANI），使支架具备了电响应性、免疫调节效应和抗菌性能。控制释放系统，如阿司匹林负载的脂质体（Asp@lipo），也显示出在缺损模型中促进骨再生的潜力。总体而言，基于3D打印的PCL复合支架通过多尺度结构设计和多功能整合，实现了机械和生物性能的协同优化，显示出在骨组织工程临床转化中的前景。

冻干技术也被用于制造具有高孔隙率的基于PCL的支架，以促进骨组织再生。例如，将磷酸化PCL与磁性纳米颗粒（MNPs）结合，通过模拟天然骨环境，促进了钙沉积和成骨基因表达，从而提高了骨传导性和骨诱导性。冻干制造的PCL/Gel/小檗碱支架在大鼠颅骨缺损模型中表现出良好的骨修复效果，其中小檗碱提高了支架的降解性并促进了细胞增殖和成骨过程。由PCL/CS/Gel组成的三元系统产生了均匀的孔径、良好的压缩性和可靠的生物相容性及生物降解性。这些结果表明，通过合理的成分设计和冻干制造，多组分协同策略为提高基于PCL的支架的结构和功能性能提供了有效的途径。此外，相分离技术也被应用于开发具有良好连接孔网络的基于PCL的多孔支架。TIPS和NIPS常与粒子沥滤（如盐沥滤）结合，以构建宏观-微孔结构，从而促进细胞浸润、营养扩散和组织生长。诸如明胶、玉米蛋白、淀粉和鸭脚胶原蛋白（DC）等天然成分的引入提高了水亲和性、降解速率和成骨诱导性。无机添加剂，如石墨烯、双相三钙磷酸盐（BCP）、HA和生物活性玻璃，增强了机械强度和矿化能力。例如，通过NIPS和粒子沥滤制造的PCL/DC支架呈现出仿生的分级结构，提高了矿化能力和成骨基因表达。同样，通过相分离制造的PCL/石墨烯支架达到了85%以上的孔隙率，提高了压缩强度和润湿性，并支持了细胞附着和营养输送。通常，通过相分离制造的基于PCL的复合支架表现出70–90%的孔隙率，结构可调性、功能整合性和优异的生物性能，包括支持细胞附着、增殖和成骨分化，为开发高性能的仿生骨替代材料提供了有希望的途径。除了静电纺丝、3D打印、冻干和相分离之外，还通过聚氨酯海绵复制和浸渍法制造了多孔的巴格达石/PCL支架，获得了70–83%的孔隙率和0.18–1.31 MPa的压缩强度。PCL涂层增强了机械强度，同时保持了开放的孔隙率（约80%），并且体外研究确认了其无细胞毒性、良好的附着性和成骨增殖能力。

为了更好地评估基于PCL的复合支架的性能，表1提供了与骨组织工程相关的材料、制备方法、形态、机械性能、降解行为、亲水性和细胞活性的比较总结。与骨修复相比，皮肤再生更依赖于亲水性、生物活性和降解性，而不是高强度的机械性能。静电纺丝支架通常提供3–10 MPa的拉伸强度，具有支持上皮化和快速伤口闭合的纤维架构。冻干支架则能够产生高孔隙率（>80%）和互连网络，促进细胞浸润和血管化，但它们的压缩强度通常较弱（2–5 MPa）。然而，PCL/玉米蛋白支架能够达到约10 MPa的压缩强度，表明特定的复合配方可以部分弥补冻干的机械局限性。功能性增强主要通过天然和植物来源的添加剂实现。明胶、胶原蛋白、壳聚糖和丝蛋白持续提高润湿性和成纤维细胞的附着能力，而芦荟、薄荷精油（PEP）、阿拉伯胶（GA）和金盏花提取物则提供了抗菌、抗炎或促进愈合的功能。通过引入石墨烯、纳米纤维素（CNC）或石墨烯纳米片（WS NPs），进一步提高了拉伸性能并促进了细胞增殖。在降解行为方面，皮肤支架通常设计为在几周内较快降解，这与伤口愈合的时间线相匹配，而骨支架则需要较慢的降解速率。

在神经组织工程中，支架必须具备足够的柔软性和导电性，以适应神经组织的机械适应性和信号传递需求。此外，微通道或引导结构的引入对于支持和引导轴突生长至关重要。静电纺丝支架因其灵活的纤维结构和能够整合功能性添加剂的潜力，已成为神经修复的有希望平台。例如，静电纺丝PCL/CS/PPy复合纳米纤维显示出增强的亲水性和导电性，促进了PC12细胞的附着、增殖和轴突延伸，突显了其在支持神经再生方面的潜力。明胶的加入进一步改善了支架的生物活性和微结构特征，同时增强了PC12细胞的神经发生分化和轴突延伸。导电且可生物降解的支架，通过将零价锌纳米颗粒整合到PCL中，已被证明能够支持胶质细胞的增殖，同时不会产生细胞毒性，为神经再生提供了稳定的导电微环境。为了实现非侵入式电刺激，开发了一种基于PCL/PVDF（聚偏氟乙烯）的压电支架，能够响应机械应力产生局部电信号。这种支架在大鼠坐骨神经缺损模型中显著增强了雪旺细胞的增殖并促进了神经再生，证明了其作为自供电神经导管的有效性。总体而言，静电纺丝的基于PCL的支架，特别是通过整合导电或压电成分进行功能化，为神经组织工程提供了灵活且实用的平台。其固有的柔韧性和纳米结构，以及生物功能化能力，使其成为支持神经修复和再生的理想选择。

在韧带和软骨组织工程中，基于PCL的支架因其可调节的机械性能和生物性能而显示出巨大潜力。韧带是连接骨骼、支持软组织结构并维持关节稳定性和运动引导的纤维性连接组织。它们传递张力负载，限制过度运动，并保持关节完整性。为了满足韧带再生的机械和结构需求，如高韧性与各向异性纤维排列，研究者通过将CS和CNC整合到PCL中开发了复合静电纺丝纳米纤维支架。这些支架表现出39.3 MPa的拉伸强度和540.5 MPa的弹性模量，与天然韧带特性非常接近，同时保持了纤维排列的特性。仿生结构支持了成纤维细胞的附着并促进了成纤维细胞的分化。对于前交叉韧带（ACL）修复，设计了双相PCL/PLGA支架以复制天然的区域结构，中央区域具有对齐的纤维，而两端则具有随机排列的纤维。通过调整材料成分，支架的降解曲线与组织再生速率相匹配，并在生物反应器系统和体内模型中显示出强大的再生能力。此外，多喷嘴打印技术被用于制造PCL/藻酸盐支架，其中包含交替的软骨细胞和基质层。在TGF-β刺激下，这些结构表现出增加的软骨特异性ECM成分（如糖胺聚糖和II型胶原蛋白）的沉积，实现了高保真度的软骨再生。

在牙科和牙周组织工程中，基于PCL的支架已被广泛研究用于牙体和牙周组织的再生。牙体主要由牙釉质、牙本质、牙髓和牙骨质组成，而周围的牙周组织（如牙龈、牙周韧带、牙槽骨和牙骨质）为维持口腔健康和牙齿稳定性提供了必要的结构和功能支持。通过不同的制备技术和功能材料改性，已经开发了多种基于PCL的支架。例如，PCL/PLA支架中引入羟基磷灰石（HA）、沸石或聚乙二醇（PEG）等生物活性材料，已被证明可以提高亲水性和表面粗糙度，从而增强人牙髓干细胞的附着、增殖和成牙或成骨分化。此外，加入诱导因子如氟化钠（NaF）或促黑素（MSH）可以促进矿化并上调成牙标志物的表达，突显了支架成分和生化刺激在牙科组织修复中的协同作用。对于牙槽骨再生，支架必须具备足够的机械强度和结构稳定性。因此，3D打印技术被用于制造如PCL/β-磷酸三钙（β-TCP）和PCL/明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）等复合支架，这些支架不仅复制了天然牙槽骨的分级结构，还表现出良好的成骨诱导性和矿化潜力，为牙周结构的再生提供了有前景的策略。

在血管组织工程中，PCL已被证明是一种有前途的材料，用于制造支架以促进血管生成。研究重点在于通过改性和复合策略提高材料的机械性能、生物活性和亲水性，以提高其在血管应用中的适用性。例如，静电纺丝PCL支架功能化于促血管生成肽KLTWQELYQLKYKGI（QK）可以促进内皮细胞的组织和附着，从而增强血管化。通过相分离制造的双孔PCL/CS复合支架显示出优异的结构可调性，通过调整组分比例，可以生成微孔（20–90 μm）和微孔（7–20 μm），支持人脐静脉内皮细胞的附着、扩展和细胞骨架组织，使其成为小直径血管移植物的合适候选。此外，熔融电写（melt electrowriting），一种高分辨率的3D打印技术，被用于制造具有明确微结构的PCL/PLA复合支架，这些支架表现出增强的机械强度和表面润湿性，以及增强的内皮细胞相互作用，显示出在心血管组织再生中的潜力。

在内脏器官组织工程中，基于PCL的复合支架在支持心肌组织的结构完整性和功能复原方面展现出很强的潜力。例如，通过FDM 3D打印制造的PCL支架，其内含金纳米颗粒（AuNPs）或纳米纤维素（CNCs），表现出增强的导电性、亲水性和机械强度。这些特性共同支持了心肌细胞的附着、增殖和电生理功能，提供了心肌再生所需的机械支撑和电耦合。在肺部组织工程中，通过优化组分比例制造的3D打印PCL/CS支架具有良好的打印保真度和结构稳定性。增加CS含量显著提高了MRC-5肺成纤维细胞的附着和增殖，反映了其良好的生物相容性和降解性，这在肺部组织重建中至关重要。对于肝脏组织应用，通过不同的策略（如原位预混合、后静电纺丝接枝和原位湿法）对PCL/CS纳米纤维支架进行表面功能化，提高了亲水性和生物降解性，同时促进了人肝癌细胞的附着和增殖。值得注意的是，原位湿法处理产生的粗糙表面拓扑结构增强了细胞锚定和组织整合，表明了其在体内应用中的优越性。

在临床转化方面，基于PCL的支架材料仍面临一些关键挑战，这些挑战需要通过协调的研究和技术创新加以解决。未来的研究应优先考虑通过结合互补的制备技术，如静电纺丝和3D打印，来整合多尺度结构设计和机械功能。开发能够响应pH、温度或机械信号的刺激响应性支架，可能在提高生物性能方面具有特别的前景，通过控制药物释放和改善细胞-材料相互作用。计算建模和高通量筛选方法可以进一步支持设计符合特定组织类型需求的支架组成和结构。同时，采用环保溶剂和可扩展的制造工艺对于提高支架制造的可持续性和降低工业实施的生产成本至关重要。标准化的评估协议，如机械强度、降解动力学和生物相容性的评估，将是监管批准和临床部署的关键。实现这些目标需要材料科学家、生物医学工程师和临床医生之间的紧密合作，以确保支架设计能够满足实际的临床需求。

尽管存在诸多挑战，PCL基支架材料因其可调的特性及广泛的应用前景，在多种组织工程应用中展现出巨大潜力。持续的材料创新、制造技术进步和转化研究预计将推动下一代支架的发展，从而进一步推动再生医学，并在全球范围内改善患者的治疗效果。未来的研究应着重于解决这些问题，以实现PCL基支架在临床中的广泛应用。