基于生物可降解高分子材料的 3D 打印支架在骨组织工程中的应用研究

一、引言

骨缺损因创伤、肿瘤等原因频发，传统治疗如自体或异体骨移植，存在供体稀缺、免疫排斥与感染隐患。骨组织工程以构建生物活性支架、结合细胞与生长因子的创新策略，成为修复骨缺损的新方向。生物可降解高分子材料凭借生物相容性佳、可降解及适宜力学性能，契合支架需求；3D打印技术更赋予支架复杂结构与个性化设计能力，二者结合有力推动骨组织工程迈向新高度。

二、生物可降解高分子材料

2.1 特性

生物可降解高分子材料在体内能够逐渐降解，其降解产物通常为小分子物质，可被机体代谢或排出体外，避免了二次手术取出的麻烦。同时，这类材料具有良好的生物相容性，能够与周围组织和谐共处，不引起明显的免疫反应和炎症反应。此外，它们还具备一定的力学性能，能够在骨组织修复过程中为新骨生长提供必要的支撑。

2.2 分类

生物可降解高分子材料按来源分为合成与天然两类。合成材料如聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）和聚己内酯（PCL），可通过改性精准调控性能；天然材料如壳聚糖、胶原蛋白和海藻酸钠，凭借天然优势，在骨组织工程中各展所长。

生物可降解高分子材料依据来源分为合成与天然两大类。合成高分子材料中，聚乳酸（PLA）生物相容性佳、力学性能良好，体内降解缓慢，经与羟基磷灰石等复合，可提升支架性能；聚乙醇酸（PGA）降解迅速，常与 PLA 制成共聚物 PLGA，调节配比能精准控制降解速率与力学强度；聚己内酯（PCL）拉伸强度高、柔韧性好，降解慢，与纳米羟基磷灰石复合后，力学与生物活性显著增强，适用于长期支撑。天然高分子材料里，壳聚糖来源广泛，抗菌、促骨细胞生长能力出色，与纳米银复合可降低感染风险；胶原蛋白作为天然骨基质成分，细胞亲和性优异，与生物活性陶瓷复合能兼顾生物活性与力学强度；海藻酸钠易加工成水凝胶支架，其三维结构利于细胞和生长因子发挥作用，推动骨组织再生修复。

三、3D 打印技术在骨组织工程支架制备中的优势

3.1 高度定制化

3D 打印技术可以根据患者的 CT 或 MRI 影像数据，精确设计和制造出与患者骨缺损部位形状、大小和结构完全匹配的支架。对于复杂的颌面骨缺损患者，通过 3D 打印技术能够制备出个性化的支架，实现精确修复，大大提高治疗效果。有临床研究表明，使用 3D 打印个性化支架进行颌骨缺损修复后，患者的面部外形和咀嚼功能得到显著改善，满意度明显提高。

3.2 复杂结构制造能力

传统制备方法很难精确复制天然骨的复杂结构，而 3D 打印技术可以通过调整打印参数，精确控制支架的孔隙率、孔径大小、孔间连通性以及微观结构，从而制备出具有仿生结构的支架。具有适宜孔隙结构的 3D 打印支架能够促进细胞的黏附、增殖和分化，有利于新骨组织的长入和血管化。在动物实验中，将 3D 打印的具有仿生孔隙结构的支架植入骨缺损部位，与传统支架相比，新骨组织的生长速度更快，骨缺损修复效果更好。

3.3 快速成型

3D 打印技术能够快速将设计好的支架模型转化为实物，大大缩短了支架的制备周期。这对于急需治疗的患者来说具有重要意义，能够及时为患者提供合适的治疗方案。

四、3D 打印支架在骨组织工程中的应用

4.1 支架与细胞的复合

将种子细胞接种到 3D 打印支架上，构建细胞-支架复合物，是骨组织工程的关键环节。种子细胞可以来源于患者自体骨髓或脂肪组织中的间充质干细胞等。这些细胞在体外经过培养和扩增后，与支架材料复合，再植入骨缺损部位。间充质干细胞在支架上能够黏附、增殖，并在适宜的微环境下分化为成骨细胞，参与骨组织的修复和再生。有研究将自体骨髓间充质干细胞与 3D 打印的 PLGA 支架复合，植入骨缺损动物模型中，结果显示新骨组织形成明显，骨缺损得到有效修复。

4.2 支架与生长因子的结合

生长因子在骨组织再生过程中起着重要的调控作用。将骨形态发生蛋白-2（BMP-2）等生长因子与 3D 打印可生物降解支架结合，植入骨缺损部位后，生长因子可以逐渐释放，吸引周围的间充质干细胞向支架部位聚集，并诱导其分化为成骨细胞，从而促进骨组织的修复和再生。通过 3D 打印技术可以精确控制生长因子在支架中的分布和释放速率，提高生长因子的利用效率。

4.3 临床应用案例

国内外已经开展了多项临床试验，将 3D 打印可生物降解支架应用于骨缺损修复、脊柱融合等临床治疗中，并取得了一定的疗效。美国一家医院使用 3D 打印的 PLGA 支架成功治疗了多例颅骨缺损患者，患者术后恢复良好，骨缺损得到有效修复。欧洲一些研究团队将 3D 打印支架应用于脊柱融合手术，通过个性化设计的支架，提高了手术的成功率和患者的生活质量。国内多家医院也开展了相关临床试验，将 3D 打印支架应用于四肢骨缺损、颌骨缺损等治疗中，取得了初步的临床效果。如某医院采用 3D 打印的磷酸钙骨水泥支架治疗四肢骨缺损患者，术后患者的骨缺损部位逐渐被新生骨组织填充，肢体功能得到明显改善。

五、挑战与展望

5.1 挑战

1.材料性能优化：虽然生物可降解高分子材料具有诸多优点，但目前其力学性能与天然骨相比仍有一定差距，特别是在承重部位的应用中，需要进一步提高材料的强度和韧性。此外，如何精确调控材料的降解速率，使其与新骨组织的形成速度更好地匹配，也是亟待解决的问题。

2.打印精度与效率：3D 打印技术在制备支架时，打印精度和效率之间往往存在矛盾。提高打印精度可能会导致打印速度降低，影响生产效率。因此，需要进一步改进打印工艺和设备，提高打印精度的同时保证打印效率。

3.生物安全性与长期疗效：3D 打印支架在体内的生物安全性和长期疗效仍需进一步研究和验证。支架材料的降解产物是否会对机体产生潜在的不良影响，以及支架在体内长期使用后是否会出现结构破坏等问题，都需要通过长期的动物实验和临床试验来明确。

六、结论

生物可降解高分子材料与 3D 打印技术的结合，为骨组织工程开辟了新路径。前者凭借良好生物相容性、可降解性等特性，为骨修复奠定材料基础；后者依靠高度定制、复杂结构制造等优势，实现支架个性化仿生设计。尽管当前应用已见成效，但仍受材料性能、打印技术等因素制约。随着多方面研究推进，其必将在骨疾病治疗中实现重大突破。

参考文献

[1]赵超前.用于骨组织工程的 3D 打印可生物降解支架的研究[D].中国科学院大学，2020.

[2]杨晨.基于挤出式 3D 打印制备可降解骨修复多孔支架的研究[D].中国科学院大学，2018.

[3]李晓媛.基于3D 打印的多功能骨修复支架[D].中国科学院大学，2018.