骨骼是人体骨骼系统的基本组成部分，提供结构支持、促进运动并保护重要器官。除了其机械作用外，骨骼还是一种具有自我修复能力的动态组织，尤其是在轻微骨折的情况下。然而，在由创伤、肿瘤切除或退行性疾病引起的严重缺陷情况下，骨骼的自然再生能力是不足的。此外，骨骼是仅次于血液的第二大常见移植组织，每年有超过220万例骨移植手术用于治疗各种骨骼相关疾病，如骨折、肿瘤、感染、脊柱侧弯、先天缺陷和骨质疏松症[1]。解决这些缺陷需要工程策略来恢复机械完整性，同时促进细胞活动和血管形成以支持新组织的形成。因此，工程化骨组织已成为一个多学科领域，致力于开发增强骨骼修复和再生的策略[2]、[3]、[4]。
在各种骨骼再生方法中，基于支架的技术因其能够提供模仿天然细胞外基质（ECM）的三维（3D）框架而受到广泛关注[5]。支架作为临时模板，有助于细胞附着、增殖和分化，并引导新骨组织的形成。支架的设计和制造直接影响下游的生物性能，包括孔隙度、机械强度和降解行为[6]。尽管存在多种骨骼修复策略，但基于支架的方法对于修复大面积骨缺陷具有吸引力，因为它们可以根据特定缺陷部位进行定制，并与天然组织集成，使支架制造成为当代骨组织工程的核心[7]。
传统的制造方法，如计算机数控（CNC）加工和注塑成型，已被用于骨支架的制造，但其减材性质和对固定模具的依赖限制了孔隙度的控制和定制[8]、[9]。这些限制加速了向针对患者个体的增材制造（AM）的转变，用于骨修复。
增材制造（AM）和3D生物打印技术的出现推动了个性化精准骨修复支架的发展，通常利用患者成像数据进行设计。已经开发了多种AM工艺用于骨支架的制造（图1A-F），包括选择性激光烧结（SLS）、立体光刻（SLA）、喷墨打印、熔融沉积建模（FDM）、静电纺丝和熔融电写（MEW）。SLS、SLA和喷墨打印等技术具有高分辨率、无需支撑的制造或可加载细胞的优点。然而，每种技术都有其局限性，如高处理温度、有限的生物材料兼容性或机械强度不足，使其不太适合精确的微观尺度支架图案化[10]、[11]、[12]。因此，在本综述中，我们主要关注与熔融电写（MEW）发展最相关的增材制造技术。
FDM是最常用的AM方法之一，用于支架制造，因为它成本低廉且易于使用。该方法通过逐层挤出热塑性丝材（如聚己内酯（PCL）或聚乳酸（PLA）来构建具有预设计结构的支架。这项技术首次提供了制造具有可控孔径、丝材间距和整体孔隙度的支架的可靠方法，从而确立了几何定义结构对骨组织生长重要性的认识[13]。除了简单的图案化外，FDM在基于AM的组织工程中发挥了基础性作用，展示了纤维取向和层堆叠如何影响机械各向异性、载荷分布和细胞排列，这些概念直接被MEW所继承。尽管FDM很有用，但它也有显著的限制：较大的纤维直径（100–300 μm）和低分辨率无法很好地模拟天然微结构。此外，挤出和热处理所需的高温度限制了热敏感生物材料的使用[14]、[15]。这些挑战促使了MEW的发展，MEW能够生产亚微米到低微米直径的纤维并实现精确放置。
静电纺丝是一种与3D打印不同的支架制造方法，虽然不是传统意义上的3D打印技术，但它是一种广泛用于制造纳米纤维支架的方法。通过向聚合物溶液中施加高电压，可以拉出超细纤维并沉积成非织造网状结构。静电纺丝纤维与天然细胞外基质（ECM）的纤维结构非常相似，为细胞附着、扩散和分化提供了良好的支持。特别是对于骨骼再生，静电纺丝垫已被证明可以通过高表面积与体积比和纳米级拓扑结构增强成骨信号。然而，传统的静电纺丝缺乏几何控制：纤维以随机、非织造的方式沉积，无法设计出定义明确的孔隙网络、承重结构或患者特定的结构[19]、[20]、[21]。
在各种AM技术中，熔融电写（MEW）因其对打印纤维直径和微观尺度支架结构的卓越控制而脱颖而出。MEW是一种直接写入的静电纺丝方法，利用高压电场以可编程的模式沉积熔融聚合物细流。与传统静电纺丝（产生随机取向的纳米纤维垫）不同，MEW允许通过计算机控制的轨迹直接逐层沉积纤维，从而产生具有可调孔隙几何形状和机械性能的多层支架[22]、[23]。MEW生产的支架具有出色的几何保真度和微观分辨率，使其能够更好地满足骨组织的生物力学和结构要求。虽然MEW通常在与其他热AM方法相比相对温和的温度下处理医用级热塑性塑料（如PCL），但这些温度仍然过高，无法容纳生长因子等敏感的生物活性分子，因为这些分子会经历热降解。因此，MEW支架的生物功能化通常在打印后通过表面涂层、固定或使用熔点较低的聚合物或复合生物墨水来实现，这些材料可以在不发生变性的情况下容纳生物活性剂[24]、[25]。
通过调整电压、气压、温度和收集器运动等加工参数，MEW可以生产出优化了承重骨机械需求的支架，同时保持高孔隙度以促进血管形成和细胞进入[26]。这样，AM的标志性过程-结构-性能关系得到了体现，即能够精确调节纤维取向、层堆叠和孔径。这使得生产的MEW支架能够很好地模拟骨骼的层次结构，包括对血管形成和营养扩散至关重要的相互连接的通道[27]、[28]。
总体而言，本综述的重点是MEW在骨再生中支架结构和材料选择的关键方面（图2）。支架的结构设计，包括纤维取向、孔径和整体几何形状等特征，显著影响其机械性能、细胞相互作用和血管形成潜力。此外，选择生物相容性和可降解材料在决定支架的机械完整性、降解速率和支持成骨分化的能力方面起着关键作用。本综述旨在全面分析通过MEW制造的不同支架结构以及所使用的材料范围，强调其在骨组织工程中的优势和局限性。在探讨支架结构和材料选择之间的相互作用后，概述了优化MEW支架以增强骨修复和临床转化的关键挑战和未来发展方向。值得注意的是，本综述中引用的文献是通过使用与熔融电写、支架设计和骨再生相关的关键词在主要科学数据库中搜索获得的，确保涵盖了相关和最新的研究。
