综述：用于骨再生的非均匀生物打印支架：材料、技术与转化视角

《Bioprinting》：Non-Uniform Bioprinted Scaffolds for Bone Regeneration: Materials, Technologies, and Translational Perspectives

　　

摘要：骨组织在结构、成分和力学性能方面表现出显著的空间异质性，这对于有效的承重和再生至关重要。传统的均质支架往往无法重现这些特征，从而限制了其功能和临床性能。近年来，生物打印技术的进步使得能够制造非均匀骨支架，其具有空间可控的架构、材料和生物学梯度，可满足特定部位的功能需求。本综述批判性地考察了当前非均匀骨支架设计与制造的策略。讨论了能够实现梯度控制的生物打印技术，包括多材料挤出、基于微流控的打印头和混合制造方法。在材料策略方面，分析了复合梯度、分级孔隙率以及纳米至微尺度的成分变化在力学性能和生物学相关性方面的表现。此外，从实际应用和转化角度回顾了利用细胞、生长因子和细胞外囊泡进行的生物活性空间调控。重点介绍了影像引导和患者特异性案例研究，以展示非均匀支架设计的临床潜力，同时批判性地评估了关键的技术、生物学和监管挑战。最后，讨论了新兴方向，包括4D生物打印、计算数字孪生和标准化制造途径。总体而言，本综述强调，以功能为导向的非均匀支架设计代表了迈向更有效且可临床转化的骨再生策略的有前景的途径。

引言：由于原生组织再生能力有限以及传统植骨策略性能不足，大型且复杂的骨缺损仍然是持续存在的临床挑战。三维生物制造技术的进步使得能够精确设计具有可调谐力学、结构和生物学特性的仿生支架，而近期研究进一步强调了膜外膜启发的构建物和应用特异性再生策略在功能性骨再生中的价值1,2。颅颌面骨再生是一个特别重要的例子，因为它通常需要能够适应复杂解剖结构、异质性力学需求和部位依赖性愈合环境的患者特异性解决方案[2]。然而，非均匀和功能梯度支架架构向临床有效疗法的转化仍不完整，部分原因是缺乏整合材料、架构和生物反应的统一设计原则[3]。因此，本综述对分级骨支架生物制造的近期进展进行了批判性综合，并提出了一种整合性框架来指导下代再生策略。

原生骨本质上是异质的，在成分、孔隙率、刚度、血管性和细胞组织方面表现出空间梯度[4]。这些梯度在功能上至关重要，因为它们使得在再生过程中能够实现协调的载荷传递、营养物质运输和区域特异性重塑。相比之下，传统的均质支架往往过度简化了这种复杂性，这可能会损害其力学性能和生物学整合，特别是在需要结构和生物学专门化的再生设计中的应用[5]。因此，重现原生骨的非均匀架构仍然是支架设计与制造中的核心挑战[6]。

近年来，三维（3D）生物打印技术的进步提供了前所未有的空间成分和架构控制，使该技术成为制造非均匀骨构建物的关键推动因素。多材料挤出、基于微流控的梯度生成和体素级打印等技术现在允许对材料、细胞和生物活性信号进行区域特异性沉积。尽管取得了这些进展，非均匀生物打印支架向临床相关应用的转化仍受到打印分辨率、力学稳定性、生物墨水配方和长期可制造性等方面的限制。此外，现有的综述文章通常关注通用的骨生物打印技术或材料开发，而没有提供专门针对分级或空间异质支架设计的策略综合7,8。

因此，迫切需要一篇全面的综述来整合生物打印技术赋能的非均匀骨支架设计与制造的当前进展，同时批判性地解决其生物学依据、材料策略、生物活性调控和转化应用[9]。本综述旨在：（1）总结原生骨非均匀性的结构和功能基础；（2）考察能够产生空间梯度的生物打印平台；（3）评估分级支架架构的材料策略；（4）讨论非均匀构建物中的生物活性方法——包括受控生长因子递送、多细胞分区和外泌体整合；（5）突出影像引导和患者特异性案例研究；以及（6）概述当前挑战和临床转化的未来机遇[10]。

通过将生物学原则与近期工程进展相结合，本综述提供了一个连贯的框架，指导下一代分级生物打印骨支架向有效且可临床转化的再生疗法的开发。为弥补这一差距，第2.1节介绍了一种整合性工程范式，系统地联系原生骨特征、功能需求、支架设计策略、制造方法和临床应用。

生物制造的最新进展凸显了需要整合性设计框架来连接骨支架中的生物材料成分、打印策略、分级架构和生物学性能。三维打印能够精确控制支架的微观结构和成分，这直接影响骨再生期间的成骨、血管生成和力学胜任能力。

小节摘要

非均匀支架的生物学和力学依据：原生骨是一种具有分级组织的组织，在成分、孔隙率和力学性能方面表现出显著的空间变异11,12。这些梯度共同实现了生长和再生期间有效的承重、营养物质运输和区域特异性重塑。除了力学支持和结构引导外，宿主免疫反应也应被视为非均匀骨支架中一个关键的空间设计参数。支架内的空间异质性在

实现非均匀支架的生物打印技术：在工程化骨构建物中实现空间异质性需要具备精确区域控制能力、能够沉积多种材料、细胞和生物活性因子的生物打印平台[41]。现有的生物打印系统在打印分辨率、生物墨水兼容性和生成离散分区架构或连续空间梯度方面存在显著差异[42]。这些差异直接影响支架保真度、力学性能和材料

梯度支架的材料策略：材料选择和空间组织是将非均匀支架设计转化为功能性骨再生平台的核心。除了架构梯度外，基于材料的策略能够实现对刚度、降解行为和生物活性的局部控制，使支架的不同区域能够满足不同的力学和生物学需求。通过空间调节聚合物-陶瓷成分、孔隙率和表面化学，分级支架可以更好地

非均匀支架中的生物活性调控：除了结构和材料梯度外，有效的骨再生还需要对支架内生物学信号进行精确的空间控制。非均匀架构实现了细胞、生长因子和细胞外囊泡的区域特异性呈递，使生物活性能够与局部力学环境和架构特征相协调[73]。本节不提供骨生物学的概述，而是关注实际的生物活性调控策略，即

影像引导的应用和患者特异性案例研究：非均匀支架设计的临床转化与医学影像和患者特异性制造的进步密切相关。高分辨率计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）能够准确表征缺损几何形态和局部骨质量，而计算设计工具则允许对孔隙率、刚度和生物活性的梯度进行空间映射99,100。这些影像引导的工作流共同桥接了生物学依据和工程

非均匀骨支架的挑战与局限性：尽管支架生物制造取得了重大进展，但成功的临床转化仍受到血管化不足、力学不匹配、监管复杂性和可扩展制造等挑战的制约[118]。这些局限性继续阻碍先进骨替代品的广泛临床采用，即使在实验中取得了令人振奋的成骨效果也是如此。

非均匀生物打印骨支架的未来方向：非均匀骨支架的未来进展将越来越依赖于材料创新、计算设计和转化框架的融合。该领域预计将不再孤立地追求架构或生物学复杂性，而是转向以功能为导向的梯度设计，并辅以预测建模、数据驱动优化和标准化验证途径。图5描绘了非均匀支架的未来设计范式，整合了

结论：非均匀支架设计已成为推进骨组织工程超越传统均质构建物的关键策略。本综述总结了生物打印技术、材料策略和生物活性调控方法方面的近期进展，这些进展实现了对孔隙率、刚度、成分和生物学信号的空间控制。总体而言，这些进展表明，功能梯度支架可以更紧密地模拟原生骨的异质性，

作者贡献声明：Mahdi Kazemi：写作——审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理。Sepideh Maralbashi：写作——初稿、调查研究、概念化

伦理批准和参与同意：不适用

发表同意：不适用

数据和材料可用性：不适用

利益冲突声明：作者声明他们不存在利益冲突。

资金支持：本研究未获得任何资金资助。

利益冲突声明：作者声明他们不存在利益冲突。

致谢：作者感谢伊朗伊斯法罕伊斯法罕科技大学和伊朗大不里士大不里士医科大学的支持。

Mahdi Kazemi | Sepideh Maralbashi
伊朗伊斯法罕，伊斯法罕科技大学机械工程系，邮政编码8415683111