综述：用于骨应用的可持续生物陶瓷、生物聚合物及复合材料：从实验室到生产

本综述系统探讨了利用渔业和农业食品工业废弃物等天然资源开发生物陶瓷、生物聚合物及其复合材料在骨组织工程中的应用进展，重点分析了从海洋（如壳聚糖（chitosan）、藻酸盐（alginate））、植物（如纤维素（cellulose）、生物二氧化硅（biosilica））和动物（如羟基磷灰石（hydroxyapatite）、胶原蛋白（collagen））废弃物中提取可持续材料的策略，并评估了其加工技术（如3D打印、冷冻干燥）、生物性能及临床转化面临的挑战（如标准化、灭菌、监管壁垒），为绿色骨修复材料的开发提供了全面参考。

　　

引言：骨再生的临床挑战与可持续材料机遇

骨缺损由创伤、肿瘤切除或退行性疾病引发，尤其临界尺寸缺损难以自行愈合。自体骨移植虽为“金标准”，但来源有限且伴随供区并发症；异体/异种移植则存在免疫排斥和疾病传播风险。传统合成骨替代材料（如聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA））依赖石油化工原料，生产过程碳足迹高。面对资源短缺与环境压力，利用废弃物（如鱼骨、蟹壳、稻壳）开发可持续生物材料已成为骨组织工程的新方向，其不仅符合联合国可持续发展目标（SDGs），还兼具生物降解性和生物相容性优势。

可持续骨修复材料的来源与特性

海洋资源：渔业废弃物转化与高值利用

鱼类加工副产物（如鱼骨、鱼鳞）富含碳酸钙（CaCO₃）和胶原蛋白，可通过酸处理与高温煅烧（600–900°C）转化为纳米晶羟基磷灰石（HA），其成分与骨矿物相似，具有优异的骨传导性。甲壳类动物外壳（如虾、蟹）中的甲壳素经脱乙酰化反应生成壳聚糖（chitosan），该阳离子多糖具有抗菌性、可生物降解性，并能促进细胞粘附和矿化，但纯壳聚糖支架机械强度较低，需与HA或合成聚合物复合使用。褐藻提取的藻酸盐（alginate）在钙离子（Ca²⁺）交联下形成多孔水凝胶，虽生物相容性良好，但缺乏细胞粘附位点，常通过肽修饰或复合HA增强功能。

植物资源：农业废弃物与生物聚合物创新

植物生物质（如稻草、甘蔗渣）中的纤维素（cellulose）是地球上最丰富的天然高分子，经化学处理（碱溶、漂白）可提取高纯度纤维素纤维，其高亲水性和力学强度适合作为复合材料增强相。稻壳灰富含无定形二氧化硅（SiO₂），通过酸洗和煅烧可制备生物二氧化硅（biosilica），该材料具有高比表面积和骨诱导性，能促进磷灰石沉积。木质素（lignin）作为植物细胞壁组分，具有抗氧化性，但疏水性限制了其单独应用，通常作为复合支架中的功能性添加剂。

动物副产品：循环经济与骨矿物再生

蛋壳（约94% CaCO₃）经煅烧（800–1000°C）转化为氧化钙（CaO），再与磷酸盐反应沉淀生成HA，其钙磷比（Ca/P≈1.67）与人体骨矿物一致。哺乳动物骨骼（如牛、猪骨）通过脱脂、煅烧可得到天然HA支架，保留微量元素（如Mg²⁺、F^?）和骨小梁结构，但需严格去除病原体以降低免疫风险。哺乳动物胶原蛋白（如牛跟腱）虽生物活性高，但存在疾病传播风险，因此海洋胶原（如鱼皮来源）逐渐成为更安全的替代品。

复合生物材料的制备技术与性能优化

加工方法决定支架结构与功能：

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  溶液浇铸与颗粒滤沥法：可实现填料均匀分散，但需添加致孔剂（如盐粒、气泡）构建多孔结构，适用于HA/PLA复合薄膜或块体。

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  冷冻干燥技术：通过冰模板法形成高孔隙率（>80%）海绵状支架，保留天然蛋白活性，但机械强度低，需交联或添加纳米HA增强。

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  静电纺丝：生成纳米纤维膜（直径100–500 nm）模拟细胞外基质（ECM），适合涂层或药物载体，但孔径小限制细胞浸润。

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  3D打印技术：支持定制化几何结构（孔隙率50–90%），例如鱼类HA/壳聚糖/PCL复合支架通过挤出打印实现抗菌性和骨再生双重功能，但设备成本高且墨水配方需优化流变性。

生物性能与临床应用前景

可持续材料支架在体外实验中展示出良好的细胞相容性：

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  鱼鳞HA/PLA打印支架（孔隙570 μm，抗压强度13 MPa）支持成纤维细胞增殖和成骨标志物表达。

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  蛋壳源HA/胶原复合海绵促进成骨细胞粘附与分化。

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  海藻酸钠/壳聚糖水凝胶载HA后显著提升矿物沉积能力。

动物模型（如大鼠颅骨缺损）验证了其骨整合能力：丝素蛋白（silk fibroin）/HA光固化支架植入8周后，微CT显示骨体积分数（BV/TV）和小梁数量（Tb.N）显著高于对照组。

产业化挑战与绿色创新策略

材料变异性与标准化：自然资源（如不同鱼种HA的Ca/P比、壳聚糖分子量）批次差异大，需通过原料筛选、工艺控制（如微波辅助合成）提升一致性。

灭菌与保存：γ射线或环氧乙烷可能降解天然聚合物，需开发低温灭菌技术（如超临界CO₂）并配合无菌包装。

规模化生产：酶法提取壳聚糖或微波煅烧蛋壳HA虽降低能耗，但放大时面临反应器设计、纯化效率等瓶颈。

法规与市场准入：FDA和EU对动物源材料要求严格病毒灭活证明，突破性设备计划可加速创新产品审批。现有商业化产品（如藻源性Algipore?、牛骨源Bio-Oss?）已证明临床可行性，而植物基GreenBone?（藤木转化HA支架）获CE标志，预示可持续材料在骨修复市场的增长潜力。

结论：绿色骨修复材料的未来之路

可持续生物材料（海洋多糖、植物纤维素、动物源HA）通过绿色工艺（如3D打印、低温提取）转化为骨支架，兼具环境友好性与生物功能多样性。未来需聚焦材料标准化、力学性能强化及规模化生产，同时依托政策支持（如循环经济行动）推动临床转化，最终实现骨组织工程领域的生态与健康双赢。