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2025
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知识解读丨3D打印骨组织工程支架：材料、技术与前沿进展
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一、骨组织支架的设计要求
理想的骨组织工程支架需要同时满足形态与功能的双重标准。其几何结构应具备适当的形状、孔径和孔隙率，以利于细胞的穿透、生长与营养交换；在力学性能上，应具备可调节性，以在承重或非承重部位均能与人体皮质骨或松质骨相匹配，提供必要的支撑。
此外，支架材料需具备良好的生物相容性与可降解性，避免体内急性或长期毒性反应。在功能层面，支架还可通过加载成骨因子（如BMP-2）或促血管化因子（如VEGF），在促进骨形成的同时，改善局部血管化水平，从而加速骨再生进程。
3D打印的生物“油墨”多样，常包括生物陶瓷粉、天然或合成水凝胶、非水凝胶聚合物及其复合体系等。不同材料体系的选择，决定了支架在结构、降解与生物学行为上的差异。
二、陶瓷基骨组织工程支架
（1）高温烧结型陶瓷支架
生物陶瓷由于在组成与结构上接近天然骨的磷灰石成分，成为骨支架研究的核心材料之一。当前常用的策略是：先通过3D打印成型具有特定孔隙结构的陶瓷坯体，再经高温烧结除去有机相，获得纯陶瓷支架。这类支架机械强度高、杨氏模量可调。
例如，Shao等在硅酸钙体系中加入1%生物活性玻璃，经挤压打印与煅烧后制得的多孔支架，具有优异的抗压性能和弹性模量，体内可有效促进骨修复。Chen等制备的锂硅酸钙（Li₂Ca₄Si₄O₁₃）支架则表现出良好的抗压强度和矿化能力，可用于软骨-骨界面重建。He等通过3D打印与烧结技术获得的磷酸锂镁支架，具备较高力学性能和成骨、促血管生成能力。
（2）室温/低温成型陶瓷支架
除高温烧结外，低温或室温成型技术也逐渐受到重视。这类方法利用少量有机/天然聚合物作为粘结剂，不需高温处理即可固化成型。
如Gang等利用天然矿物与聚乳酸复合低温打印，制得仿生骨支架；Dong等在磷酸三钙油墨中添加镁锌粉，通过低温挤压打印获得复合支架，在保持力学性能的同时具备良好生物相容性；Yang等开发的室温打印硅酸三钙骨水泥支架，兼具高强度与药物缓释性能，能显著促进骨再生。
三、3D打印水凝胶支架
水凝胶因其可包封细胞与生物分子的能力，被广泛用于制造“活性”骨组织支架。通过调控水凝胶成分，可获得不同力学与生物反应特性的打印体。
例如，Kim等设计了由胶原、细胞和β-TCP组成的复合生物墨水，打印出的多孔支架可有效维持细胞活性并促进成骨分化。Yang等开发的纳米导电水凝胶，则可作为生物电载体，通过电刺激增强成骨效果。另一研究通过在动态水凝胶中持续释放Si⁴⁺与Mg²⁺离子，实现了显著的血管化骨再生。
四、天然与合成高分子支架
低温挤压式3D打印常用于制备含生物活性分子的天然/合成聚合物支架。Golafshan等通过在磷酸镁陶瓷中引入Sr²⁺和PCL聚合物，获得可诱导新骨形成的支架；Ma等设计的哌嗪基聚氨酯-尿素支架具备良好生物相容性与可调力学性能；Akkineni等采用内芯/外壳复合打印结构，实现了VEGF与BMP-2的双重释放。
值得注意的是，静电场辅助微挤压（近场静电纺丝打印）正在成为高分子支架的重要技术。Lee等利用胶原纤维与PF-127复合打印出具有纳米网络结构的支架，显著提升了成骨细胞矿化效果；Xiong等以熔融静电纺丝构建PCL微纤维三相支架，模拟骨-韧带界面结构，为界面组织修复提供新思路。
五、复合材料支架与功能化改性
通过材料复合，可在不同体系间实现力学与生物性能的协同优化。例如，Yao等利用静电纺丝打印PCL/PLA复合支架，显著增强hMSCs的成骨分化；Lin等研究石墨烯在CSI/PCL体系中的添加比例，获得了兼具优异力学与成骨性能的复合支架。
支架表面的功能化修饰是提升生物性能的另一关键方向。通过加载生长因子（BMP-2、VEGF）、抗菌药物或抗癌分子，可实现支架的多功能化。如Lee等将RhBMP-2固定于PCL支架表面，获得持续释放特性；Chen等利用羟基磷灰石加载BMP-2形成控释系统，显著促进体内外成骨；Ma等更进一步，将微波响应性框架材料与药物结合，构建了具免疫调控与抗骨肉瘤功能的智能多功能支架。
六、复合材料支架与功能化改性
单一打印方式往往难以同时满足结构精度与功能需求，混合3D打印及与传统工艺结合成为新趋势。Kankala等通过将PLGA支架与明胶/纳米HA复合，实现了良好的降解性和成骨活性；Lode等结合3D打印与冷冻干燥、交联技术，提升了胶原支架的刚度与形状保真度；Aldemir等将静电纺丝与高内相乳液复合，获得了兼具细胞屏障与成骨性能的多层结构，为复杂骨缺损修复提供新方案。
六、复合材料支架与功能化改性
尽管3D打印在骨组织工程领域取得了显著进展，但仍存在若干待突破的关键问题：
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打印分辨率不足：目前挤压式打印的精度有限，难以模拟天然骨的多尺度层次结构。未来需要开发更高分辨率的微喷嘴技术。
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异质梯度结构难实现：骨组织同时具有皮质骨与松质骨特征，打印具有梯度力学性能的复合支架仍具挑战。
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血管化不足：需通过精确设计血管通道或加载促血管化因子，改善支架的氧气与营养输送能力。
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细胞掺入受限：除生物打印外，大多数3D打印技术难以实现同步细胞包埋，未来需探索支架制造与细胞结合的同步打印策略。
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功能支架的临床转化：具抗菌、抗癌或免疫调控功能的支架是未来方向，但其安全性、可控性及规模化制造仍需深入研究。
七、结语
3D打印技术的引入，使骨组织工程从“材料构建”迈向“功能定制”的新阶段。随着打印精度的提升、材料体系的丰富以及多功能复合策略的深化，未来的骨组织支架将不再是单一的“支撑体”，而是具备诱导、调控、再生多重能力的智能系统。
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