07
2024
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3D打印生物陶瓷支架在骨组织修复及免疫调节中的应用及进展
作者：
奇遇科技
骨组织工程的目标是开发能够通过精确配置局部添加生物活性材料来修复大段骨缺损的材料和技术。自从支架材料的引入以来，该领域已取得了显著进展，且需要在材料科学、生物力学、生物医学工程和再生医学方面取得突破。由于其精确性和定制化能力，3D打印技术在创造个性化支架方面得到了广泛应用，这些支架能够促进骨骼愈合并调节免疫反应。本文我们一起来全面了解3D打印生物陶瓷支架在骨组织修复和免疫调节领域的当前进展。
一、骨损伤的自修复
骨损伤通常由外力引起，表现为骨折或骨髓炎，常伴随畸形、疼痛、肿胀等症状，严重时可能导致休克和发热。骨组织具备自我修复能力，通过炎症、再生和重塑阶段修复损伤。但持续的不良刺激引起的慢性炎症可能导致骨愈合延迟或不愈合。
二、用于生物陶瓷的3D打印技术
当前常用的生物陶瓷3D打印技术包括熔融沉积建模（FDM）光固化（SLA、DLP）和直写（DIW）。以下是这些技术的简要说明。
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FDM：加热挤出头将固体材料熔化并逐层打印，成本低、适合复杂几何形状，但层间粘结强度差，影响精度和力学性能。 -
SLA和DLP：SLA通过激光逐层固化光敏树脂精度高，但速度慢、设备贵，DLP通过数字投影快速固化，精度较低但速度快，成本较高。 -
DIW：通过挤出可打印材料（如陶瓷浆料）在预定轨迹上逐层沉积，但打印速度较慢，且精度和分辨率受材料流动性和粘度限制。
三、3D打印生物陶瓷在骨修复中的应用
△图2
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磷酸钙（CaP）支架：其优良的生物相容性和成骨性能，通过3D打印技术，广泛应用于骨修复。不同的打印技术可改善CaP支架的力学性能、生物相容性和细胞增殖能力，促进骨修复效果。
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硅酸盐（CS）支架：具有良好的生物相容性、降解性和成骨诱导作用，能够促进骨生成、血管生成及骨髓来源基质细胞的增殖和分化。通过3D打印技术，CS支架在骨修复中的应用前景广泛，具有良好的力学性能和生物学效果。 -
聚合物复合多孔支架：通过仿生方法设计支架材料，结合聚合物与陶瓷基体，3D打印能精确控制支架的几何形状和微结构，提供良好的机械支持和促进骨修复的微环境。
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金属复合多孔支架：通过嵌入金属颗粒增强了机械强度和抗断裂韧性，同时保持了陶瓷的生物活性，解决了陶瓷脆性问题，提升了骨修复支架的临床应用稳定性。 -
活细胞支架：例如海藻酸盐纳米复合凝胶支架具备层次化孔隙结构，有效解决了微孔水凝胶网络的营养和氧气供应限制，以及细胞迁移和增殖受限的问题。
四、3D打印生物陶瓷在骨修复中的免疫调节作用
生物材料诱导的免疫调节为组织修复和重塑过程中骨母细胞的生长和成熟提供了必要条件，支架的结构和物理化学特性在这一过程中起着至关重要的作用(图3)。
△图3
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表面结构的免疫调节：生物陶瓷支架的表面曲率和微观结构对细胞行为和骨修复至关重要。通过光固化DLP等3D打印技术，可精确调控支架的表面形态，促进细胞粘附、增殖及免疫调节，进而增强成骨作用和加速骨愈合。 -
表面电荷的免疫调节：生物陶瓷表面电荷对细胞粘附、巨噬细胞极化及骨修复有重要影响。负电荷可促进BMSC的成骨分化，正电荷有助于M2巨噬细胞极化并抑制M1极化，压电材料能恢复微电环境，促进骨再生。 -
孔径和孔隙率的免疫调节：孔径、孔隙率及其分布在骨组织支架中对细胞行为和免疫反应具有重要影响。优化孔隙率和孔径结构可促进巨噬细胞极化、增强免疫调节及成骨作用。3D打印技术能够精确控制这些参数，提升骨修复效果。 -
金属离子的免疫调节：金属离子在骨修复中具有重要的免疫调节作用，通过调节巨噬细胞极化、促进成骨分化和矿化，增强骨组织的再生能力。金属离子的释放可改善免疫微环境，加速骨愈合和修复过程。 -
支架机械强度对骨免疫微环境的影响：骨组织对机械刺激具有高度敏感性，骨髓间充质干细胞和免疫细胞如中性粒细胞、巨噬细胞等也会响应机械力，通过激活信号通路促进骨修复和组织再生。支架基质硬度影响免疫细胞的功能，较硬的基质有利于细胞粘附和修复。高机械强度的材料常用于增强支架性能并加速骨愈合。
五、3D打印生物陶瓷材料面临的挑战与展望
虽然3D打印生物陶瓷支架在骨修复方面取得了重大进展，但其在临床应用方面仍面临诸多挑战，具体问题如下。
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高温收缩问题：陶瓷多孔支架在烧结过程中通常会出现显著收缩，影响结构稳定性和机械强度。 -
3D打印精度问题：现有3D打印技术难以精确复制人体组织的复杂结构，尤其是纳米级的组织结构。 -
骨修复调控：生物陶瓷的脆性和降解速率导致其不适合修复承重区域的骨缺损。骨修复支架需要具备与周围组织兼容的机械性能，同时确保足够的机械支撑和适宜的孔隙结构设计。 -
免疫调节问题：生物陶瓷支架的免疫调节行为受到其离子释放、孔结构和表面微结构的影响，但这些机制尚未完全理解。 -
智能设计：智能生物材料，可响应环境变化，增强免疫调节和骨修复功能。4D打印技术为个性化医疗提供了新的潜力，但仍面临实验级合成和大规模生产的挑战。
[1]Yasi Chen et al., Ceramics International, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.09.294.
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