综述：Recent Advances in Orthopedic Tissue Engineering: Bridging Stem Cells and 3D Printing（骨科组织工程前沿进展：连接干细胞与3D打印技术）

《Small Structures》：Recent Advances in Orthopedic Tissue Engineering: Bridging Stem Cells and 3D Printing

这篇综述系统探讨了3D打印技术与干细胞（SCs）在骨科组织工程中的协同应用，重点分析了四种主流3D打印技术（FDM、SLA、PBF、生物打印）与不同类型干细胞（MSCs、iPSCs、ESCs）的组合策略。文章详细阐述了多材料支架设计、生物墨水优化及细胞加载方法如何促进骨软骨缺损修复，并指出通过模拟天然细胞外基质（ECM）的仿生结构可显著提升组织再生效果。最后展望了器官芯片（OOC）和类器官（Organoids）等新兴交叉技术的临床转化潜力。

　　

背景介绍

骨科组织工程旨在通过结合支架材料与活性细胞修复骨骼及软骨缺损。当前临床金标准的自体移植虽能提供成骨细胞与诱导因子，但存在供区并发症、感染风险等局限。3D打印技术可精确控制支架内部结构，而干细胞（SCs）的加入能主动参与生物调控，二者结合为再生医学提供了新思路。

干细胞类型与特性

间充质干细胞（MSCs） 因其易获取、低免疫原性成为最常用细胞来源，可分化为成骨细胞（Osteocytes）、软骨细胞（Chondrocytes）等中胚层谱系。其表面标志物CD90、CD73、CD105呈阳性，而CD45、CD34等造血标志物为阴性。通过三系分化染色（茜素红钙结节、阿尔新蓝糖胺聚糖、油红O脂滴）可验证其多向分化能力。

诱导多能干细胞（iPSCs） 通过重编程体细胞获得类胚胎干细胞（ESCs）的多能性，避免了伦理争议，但存在成瘤风险与重编程效率低的问题。常用重编程因子包括OCT4、SOX2、KLF4、c-MYC（OSKM）或OCT4、SOX2、NANOG、LIN28A（OSNL）组合。

胚胎干细胞（ESCs） 虽具有多能性，但因伦理限制与来源有限，应用较少。

3D打印技术对比与应用

熔融沉积建模（FDM） 通过加热热塑性材料（如PLA、PCL）逐层堆积，成本低但分辨率有限。例如，Liu等将人牙槽骨来源MSCs（h-ABMSCs）接种于PDLLA支架，成功促进成骨分化；Natarajan则设计双层PCL/PLGA支架，分别添加β-磷酸三钙（β-TCP）与硫酸软骨素（CS），模拟骨软骨双相结构。

立体光刻（SLA） 利用紫外光固化光敏树脂，精度高但可能存在光毒性。Lu等通过调控β-TCP支架的孔结构（菱形十二面体、螺旋二十四面体等），发现特定孔隙形态可增强BMSCs的成骨分化。

粉末床熔融（PBF） 包括选择性激光烧结（SLS）等技术，适用于金属（如钛合金）或陶瓷粉末打印，力学强度优异但设备昂贵。Idaszek基于人体骨小梁扫描数据打印钛支架，证明高孔隙率结构更利于细胞矿化。

生物打印 直接封装活细胞于水凝胶（如明胶甲基丙烯酰（GelMA）、藻酸盐）中，生物相容性高但机械性能弱。例如，McMillan共打印PCL框架与GelMA水凝胶，构建兼具力学支撑与细胞活性的气管仿生结构。

材料创新与生物功能化

合成聚合物（如PLA、PCL）可提供力学强度，但缺乏生物活性；天然聚合物（如胶原、透明质酸）仿生性好却稳定性不足。复合策略成为主流：

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  材料改性：在PCL中掺入纳米羟基磷灰石（nHA）增强骨传导性；GelMA水凝胶负载脂肪干细胞（ADSCs）来源外泌体，促进血管生成。
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  结构设计：双层支架上层模拟软骨（含水凝胶与软骨细胞），下层模拟骨组织（含β-TCP与BMSCs），通过梯度孔隙协调不同组织的再生需求。
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  交叉链接优化：采用基因胶（Genipin）等生物源交联剂替代化学交联剂，减少细胞毒性。

挑战与前沿方向

临床转化瓶颈包括：干细胞异质性导致批次差异、血管网络构建困难、长期体内功能不稳定。此外，水凝胶支架机械强度不足，难以承重。

新兴交叉技术如器官芯片（OOC）通过微流体控制营养输送，模拟骨骨髓微环境；类器官（Organoids）技术则利用iPSC衍生细胞构建3D微型骨组织，用于疾病建模与药物筛选。例如，Kefallinou的“骨髓芯片”中，MSCs形成基质网络支持造血干细胞（HSCs）归巢。

总结展望

3D打印与干细胞技术的融合正从简单支架向仿生多组织系统演进。未来需突破材料生物活性与力学性能的平衡难题，结合自动化培养系统（如生物反应器）提升组织成熟度，最终实现个体化骨科植入物的临床转化。