AFM綜述 | 骨組織工程中支架制造技術(shù)及其結(jié)構(gòu)/功能特性

摘要：骨組織工程學(xué)（BTE）是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，旨在創(chuàng)建可以在體內(nèi)整合和降解以治療患病或受損組織的生物功能組織,。支架制造技術(shù)在決定植入的生物材料的最終結(jié)構(gòu),，機(jī)械性能和生物學(xué)響應(yīng)方面非常重要,。本文提供了有關(guān)支架制造技術(shù)，BTE的結(jié)構(gòu)和功能特性的最新成就的全面綜述,。提出了從無(wú)機(jī)生物材料到天然和合成聚合物以及用于支架加工的相關(guān)復(fù)合材料的不同類(lèi)型的生物材料,。還討論了新興的支架技術(shù)，例如靜電紡絲,，冷凍干燥,，生物打印和脫細(xì)胞。

引言
組織工程旨在開(kāi)發(fā)新的生物功能組織,，以再生和修復(fù)受損或患病的組織。2017年,，全球骨科手術(shù)總數(shù)約為2230萬(wàn),，預(yù)計(jì)到2022年將達(dá)到2830萬(wàn)�,；疾』蚴軗p的骨組織目前對(duì)移植的骨替代品有巨大需求,，是每年第二大移植組織。通常,，直接使用患者或相容供體的骨組織進(jìn)行骨修復(fù),。由于周?chē)�組織供應(yīng)不足，供體部位發(fā)病率和不相容性,，這些治療方法僅限于較小尺寸的缺陷,。為了克服這些限制，仿生支架的制造是不斷增長(zhǎng)的關(guān)注領(lǐng)域,。骨組織工程(BTE)策略(圖1)顯示出有希望替代更傳統(tǒng)的骨移植方法（例如自體移植或同種異體移植）來(lái)替代丟失或受損的骨組織,。

圖1

幾種支架制造技術(shù)處于組織工程學(xué)（TE）的最前沿，例如靜電紡絲,，冷凍干燥,，生物打印和脫細(xì)胞化。結(jié)合這些制造方法,，已經(jīng)為BTE選擇了廣泛的材料,。該選擇通常基于骨骼組織的功能和生物學(xué)要求,，骨骼本身是由無(wú)機(jī)和天然成分組成的復(fù)合材料,，以高度分層的方式組織。由于生物分子具有與生長(zhǎng)中的細(xì)胞相互作用的固有能力和易于化學(xué)修飾的特性,，最近人們的思維已從生物惰性材料轉(zhuǎn)向生物活性材料,，專(zhuān)注于天然存在的生物聚合物。近來(lái),，衍生自脫細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)的生物材料也已用于BTE支架中,。去細(xì)胞的骨細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）保持天然的基質(zhì)結(jié)構(gòu),，生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子，從而增強(qiáng)細(xì)胞活力和生長(zhǎng),，以進(jìn)行組織修復(fù)和再生,。

盡管最近對(duì)此主題進(jìn)行了大量研究，但BTE的制造方法和不同生物材料的選擇仍基于假設(shè),，沒(méi)有明確的前進(jìn)方向,。BTE一直以往評(píng)價(jià)著眼于生物材料的主體，的制造技術(shù),，和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),。但是，本文的重點(diǎn)是評(píng)估骨棚架的制造方法,，同時(shí)對(duì)高性能骨組織植入物的最佳未來(lái)制造路線提供了評(píng)論,。應(yīng)特別注意將支架結(jié)構(gòu)/性質(zhì)/加工關(guān)系映射到生物學(xué)功能，以及如何通過(guò)同時(shí)進(jìn)行的血管形成,，免疫調(diào)節(jié)和成骨進(jìn)展來(lái)增強(qiáng)臨床結(jié)果,。

第一部分通常定義TE，尤其是BTE,。第二部分和第三部分簡(jiǎn)要概述了可用于BTE的多種生物材料和支架制造技術(shù),。第四部分和第五部分對(duì)骨組織工程的支架結(jié)構(gòu)/性能/功能關(guān)系進(jìn)行了嚴(yán)格而全面的評(píng)估，同時(shí)對(duì)高性能骨組織植入物的最佳未來(lái)發(fā)展路線提供了評(píng)論,。接下來(lái)是與血管化,，免疫調(diào)節(jié)和成骨有關(guān)的最新最新進(jìn)展的討論。最后,，我們提供了對(duì)未來(lái)的展望,，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)/屬性/功能關(guān)系在優(yōu)化BTE臨床結(jié)果中的重要性。

骨組織工程用生物材料

骨是一種高度組織化的復(fù)合材料,，包含50-70％的無(wú)機(jī)成分(主要是羥基磷灰石(HAp),，20-40％的有機(jī)成分(主要是I型膠原)，5-10％的水和3％的脂質(zhì),。在宏觀上,，骨骼可分為外層硬質(zhì)皮質(zhì)骨和海綿狀小梁骨。成骨細(xì)胞以類(lèi)骨質(zhì)的形式促進(jìn)新骨的形成,，其由膠原蛋白和其他蛋白質(zhì)組成,。圖2說(shuō)明了這些材料在骨骼結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布情況。

圖2

材料及其降解產(chǎn)物的生物相容性也是BTE中的重要考慮因素,。支架應(yīng)允許細(xì)胞附著,，增殖和分化，同時(shí)無(wú)細(xì)胞毒性并引起最小的免疫反應(yīng),。對(duì)于BTE,，生物活性涵蓋兩個(gè)主要的生物過(guò)程：i）骨傳導(dǎo)性和ii）骨傳導(dǎo)性,。骨傳導(dǎo)性支架促進(jìn)骨骼在非骨質(zhì)部位的材料表面沉積，而骨誘導(dǎo)性支架則利用未成熟的干細(xì)胞并將其分化方向?qū)�向成骨�?xì)胞（例如成骨細(xì)胞）,。

已經(jīng)研究了多種生物材料用于骨移植支架,，即無(wú)機(jī)生物材料，其中包括金屬（例如鈦及其合金）和生物陶瓷（例如磷酸鈣（例如HAp和α,，β-磷酸三鈣[α,，β]） ‐TCP]），碳酸鈣,，生物活性玻璃和玻璃陶瓷,，氧化鋁和氧化鋯）以及多種天然（例如膠原蛋白，明膠,，絲蛋白[SF],，殼聚糖，透明質(zhì)酸[HA],，結(jié)冷膠[ GG]及其衍生物，藻酸鹽和合成聚合物（例如聚氨酯[PU]和聚己內(nèi)酯[PCL]）及其組合（表 1）,。生物陶瓷以其出色的生物相容性,，骨傳導(dǎo)性和生物吸收性而聞名。聚合物具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度,，并且天然聚合物具有諸如生物相容性和ECM相似性等優(yōu)點(diǎn),。

表1. BTE中常用的生物材料的一般屬性

在諸如3D生物打印之類(lèi)的制造過(guò)程中，或者在預(yù)制支架上播種細(xì)胞的過(guò)程中,，在制造的支架中包含細(xì)胞是制造過(guò)程中的關(guān)鍵步驟,。預(yù)制支架通常涂有ECM衍生的凝膠或類(lèi)似ECM的凝膠，以增強(qiáng)生物相容性并促進(jìn)細(xì)胞播種,。

植入的生物材料應(yīng)在植入時(shí)提供足夠的機(jī)械穩(wěn)定性,，同時(shí)引起非免疫原性反應(yīng)，因?yàn)樯�物材料�?huì)隨著天然組織的生長(zhǎng)同時(shí)降解,。生物材料還應(yīng)促進(jìn)附近干細(xì)胞以及成骨細(xì)胞的增殖和浸潤(rùn),。生物材料的選擇取決于機(jī)械性能與天然骨組織的機(jī)械性能的接近程度。例如,，皮質(zhì)骨的彈性模量為14-20 GPa,，而生物活性玻璃45S5生物玻璃的彈性模量據(jù)報(bào)道為35 GPa，而PGA達(dá)到7 GPa,，天然生物聚合物膠原原纖維≈35MPa,。因此，BTE通常選擇具有較高剛度范圍的熱塑性聚合物和多孔生物陶瓷,，因?yàn)樗鼈兛梢阅７鹿趋澜M織再生所需的承重性質(zhì),。BTE中使用的最有希望的無(wú)機(jī)生物材料,，天然和合成聚合物描述如下。

2.1 無(wú)機(jī)生物材料

無(wú)機(jī)生物材料（例如金屬和生物陶瓷）已被廣泛用于修復(fù)和再生患病和受損的骨骼,。這種類(lèi)型的生物材料特別應(yīng)用于骨移植物和水泥,，骨科承重涂層（髖臼杯）和牙周修復(fù)。

鈦及其合金等金屬生物材料的特點(diǎn)是強(qiáng)度高,，彈性模量低和密度低,，而生物陶瓷具有出色的生物相容性，骨傳導(dǎo)性和耐腐蝕性,。此外,，生物陶瓷的壓縮強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度的十倍。

在生物陶瓷中,，磷酸鈣（HAp和TCP）由于與天然骨骼的礦物結(jié)構(gòu)相似而長(zhǎng)期使用,。TCP，無(wú)論是β還是α形式,，都具有很高的吸收速率,，從而形成了可吸收的網(wǎng)絡(luò)，而HAp在生理?xiàng)l件下是最穩(wěn)定的相,。這些材料在承重應(yīng)用中具有有限的機(jī)械強(qiáng)度,，可以通過(guò)將它們與聚合物結(jié)合來(lái)克服。此外,，這種陶瓷可以很容易地?fù)饺霂追N生物活性離子,，信號(hào)分子和細(xì)胞。

氧化鋁和氧化鋯由于其化學(xué)生物惰性,，高強(qiáng)度,，硬度，抗裂性和耐腐蝕性,，是成功用于整形外科領(lǐng)域的其他類(lèi)型的陶瓷,，尤其是用于全髖/膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的陶瓷。通過(guò)結(jié)合氧化鋯和氧化鋁作為復(fù)合材料（稱(chēng)為氧化鋯增韌氧化鋁[ZTA]）,，可以改善低的斷裂韌性,，耐磨性，和氧化鋁陶瓷的降解的低敏感性,，從而降低沖擊和位錯(cuò)的危險(xiǎn),，并提高了穩(wěn)定性。

生物活性玻璃通常用于骨骼再生,，與其他生物陶瓷相比,，其具有更快的結(jié)合結(jié)締組織的能力，在植入時(shí)形成無(wú)定形磷酸鈣或HAp層,。此外,，硅,，鈣，磷,，和Na離子從硅酸鹽玻璃的溶解期間釋放能刺激骨生成和新血管形成/血管生成,，和酶促活性。

2.2 天然生物聚合物

天然生物聚合物與合成聚合物相比,，尤其具有優(yōu)勢(shì),，因?yàn)樗鼈兣cECM具有相似性，生物相容性和生物降解性,。生物聚合物主要研究了BTE是蛋白質(zhì)（例如,，膠原，明膠和SF）和多糖（例如,，脫乙酰殼多糖,，透明質(zhì)酸，GG,，和藻酸鹽）,。經(jīng)常單獨(dú)或與化學(xué)修飾結(jié)合使用各種交聯(lián)策略以提供對(duì)支架剛度和結(jié)構(gòu)的控制。這些將在下面的第3.3節(jié)中進(jìn)一步討論,。

膠原蛋白和明膠具有相似的物理性能,，并因其出色的生物降解性，生物相容性和免疫原性而廣泛用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,。膠原蛋白是人體蛋白質(zhì)的三分之一,，是骨骼組織中含量最高的聚合物,。超過(guò)29種類(lèi)型的膠原蛋白已被記錄下來(lái),，由于其具有組織形成和細(xì)胞生長(zhǎng)的能力，因此被廣泛應(yīng)用于組織工程,。在不同類(lèi)型的膠原蛋白中,，I型在骨組織中最普遍，而II型主要在軟骨中發(fā)現(xiàn),。近來(lái),，源自海洋的膠原蛋白作為哺乳動(dòng)物膠原蛋白的替代物也引起了人們的關(guān)注，因?yàn)樗�的生產(chǎn)成本低并且易于從可利用的海洋廢棄物中提取,。

明膠是一種天然的水溶性蛋白質(zhì),，是通過(guò)酶處理從不溶性動(dòng)物膠原蛋白中衍生而來(lái)的。明膠有兩種類(lèi)型：通過(guò)酸處理產(chǎn)生的A型,，和用堿性或高pH值溶液處理的B型,。包含明膠的納米纖維支架主要用于大骨缺損的修復(fù)。許多原因認(rèn)為明膠是BTE的合適生物材料,，包括：i）生物相容性和生物降解性,；ii）彈性,；iii）與親本蛋白質(zhì)相比，抗原性較低,；iv）優(yōu)異的細(xì)胞粘附性,，和v）允許化學(xué)修飾的可及官能團(tuán)。它也有凝膠的形成,，乳化劑,，發(fā)泡劑，和增稠劑,，從膠原類(lèi)型,，源，和變性過(guò)程取決于容量,。此外,，明膠有效地與天然和合成聚合物共混，可促進(jìn)支架的高生物親和力和生物力學(xué)性能,。

從家蠶,，桑蠶絲和非桑蠶絲以及蜘蛛獲得的蠶絲已成為組織工程學(xué)中最受研究的領(lǐng)域。桑蠶雙歧桿菌特別感興趣,，它是一種具有半結(jié)晶結(jié)構(gòu)的纖維蛋白,，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，高生物相容性,，彈性和緩慢的降解性,。SF由兩個(gè)主要的晶體結(jié)構(gòu)組成：i）由α-螺旋和β-折疊構(gòu)型交替形成的絲I，和ii）屬于反平行β-折疊結(jié)構(gòu)的絲II,，其有助于SF的剛度和強(qiáng)度,。基于SF的支架的制造取決于SF的晶體/非晶結(jié)構(gòu)的控制,，以獲得更好的機(jī)械強(qiáng)度,，降解性和水可加工性。

HA主要存在于結(jié)締組織和滑液中,，并且具有生物降解性,，生物相容性和粘彈性的特點(diǎn)。盡管如此,，HA的機(jī)械強(qiáng)度有限,，可以通過(guò)化學(xué)改性或交聯(lián)來(lái)解決。

殼聚糖是從所獲得的Ñ甲殼素-deacetylation,，并且由d -葡糖胺（脫乙酰單元）和Ñ乙�,；鵧 -葡糖胺（乙酰化單元）隨機(jī)分布在聚合物內(nèi)，并且由β-（1-4）連接的-糖苷鍵,。它具有聚電解質(zhì)和陽(yáng)離子性質(zhì),，良好的生物降解性，抗血栓形成和止血作用,，粘膜粘附,，止痛作用和抗真菌活性。GG是水溶性的高分子胞外多糖,，得自Sphingomonas elodea(原名Pseudomonas elodea)）,。它具有生物相容性，熱響應(yīng)性,，出色的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,，通常用作膠凝劑。GG可以以低�,；�和高�,；�形式獲得，其中低�,；鵊G形成堅(jiān)硬,，非彈性和脆性的凝膠，而高�,；�形式則生成柔軟,，彈性和撓性的凝膠。通常在褐藻細(xì)胞壁中發(fā)現(xiàn)的藻酸鹽被視為具有吸水能力的膠凝劑和增粘劑,�,？赏ㄟ^(guò)將藻酸鹽與不同的生物活性分子結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)其膠凝，生物相容性,，生物降解性和機(jī)械強(qiáng)度,。

2.3 合成聚合物

使用可生物降解的合成聚合物的主要?jiǎng)訖C(jī)與它們非常高的強(qiáng)度和剛度有關(guān)，這是骨骼修復(fù)/再生所必需的,。這種聚合物的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是它們會(huì)經(jīng)歷整體腐蝕過(guò)程,，從而導(dǎo)致支架過(guò)早失效,，甚至突然釋放酸性降解產(chǎn)物,，從而引發(fā)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)。但是,，可以控制分子量,，化學(xué)組成和結(jié)晶度以控制降解速度。聚α羥基酸,，如聚乳酸,，聚乙醇酸(PGA)，聚乳酸-共乙醇酸(PLGA)共聚物和聚PCL是BTE中最常用的可生物降解的聚合物,，部分原因是它們具有自我增強(qiáng)的能力,，可以最終獲得更好的強(qiáng)度,。當(dāng)與生物陶瓷結(jié)合生物可降解聚合物通常顯示較少的炎癥反應(yīng)。

PLA具有熱穩(wěn)定性,，細(xì)胞相容性和無(wú)毒降解產(chǎn)物的特點(diǎn),。它存在于不同的形式，如聚-升-丙交酯酸（PLLA）和聚- d -丙交酯酸（PDLA）,，其中L / d比可以以優(yōu)化的材料的降解速率進(jìn)行調(diào)整,。PLGA是PGA和PLA的組合，是FDA批準(zhǔn)的聚合物,，具有非常好的生物相容性,，生物降解性和可調(diào)的機(jī)械性能。PCL也已獲得FDA批準(zhǔn)用于骨修復(fù),，其特點(diǎn)是具有良好的溶解性,，低熔點(diǎn)和出色的共混物相容性。與PLA和PGA相比,，它具有良好的機(jī)械性能,，并且易于加工。特別地,，由于其緩慢的降解速度,，它對(duì)于長(zhǎng)期的可植入設(shè)備的開(kāi)發(fā)非常有用。聚酯鍵的降解主要由酯鍵的非酶水解決定,，因此,，由于其較高的疏水性，PCL可能需要3-4年才能完全降解,，而PGA的降解時(shí)間為1.5-3個(gè)月,，而PLLA的降解時(shí)間為6-24個(gè)月。然而,，其疏水性不利于細(xì)胞附著和滲透,，可以通過(guò)與不同的生物陶瓷和生物聚合物涂層結(jié)合來(lái)解決。

2.4 無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合生物材料

無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料是模仿骨骼組織的好策略,，而骨骼組織本身就是天然復(fù)合材料,，其機(jī)械和生物學(xué)性能明顯優(yōu)于單一組分。無(wú)機(jī)材料和聚合物材料之間的最佳比例對(duì)于誘導(dǎo)骨組織形成,，同時(shí)保持復(fù)合材料的孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度至關(guān)重要,。各種各樣的不同組合產(chǎn)生了對(duì)BTE具有非常好的性能的復(fù)合材料。例如,，使用SF結(jié)合β-TCP呈現(xiàn)高的孔互連性,，細(xì)胞附著和增殖，以及在足夠用于BTE體內(nèi)響應(yīng)。另一項(xiàng)研究表明,，雙相磷酸鈣（BCP）和膠原蛋白的結(jié)合比單獨(dú)的BCP導(dǎo)致更高的新骨形成,。此外，該作者報(bào)告說(shuō),，復(fù)合物中較高的HAp：β-TCP比例對(duì)新骨形成有積極影響,。例如，無(wú)機(jī)納米顆粒也已經(jīng)被摻入到聚合物基質(zhì)中以優(yōu)化其物理和機(jī)械性能,。

3種支架的制作方法

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于組織工程的一系列處理技術(shù),，因此，已將其應(yīng)用于BTE(表 2),。理想地,，最佳的制造技術(shù)可以生產(chǎn)具有可控的多層多孔結(jié)構(gòu)的可重復(fù)支架，因?yàn)榭捉Y(jié)構(gòu)的幾何形狀對(duì)骨骼組織的機(jī)械和生物學(xué)反應(yīng)都具有深遠(yuǎn)的影響,。如今,，可以促進(jìn)細(xì)胞和生長(zhǎng)因子融合的制造技術(shù)對(duì)于創(chuàng)造最佳支架非常流行�,？梢钥隙ǖ氖�,，對(duì)于特殊的臨床需求，需要先進(jìn)的加工技術(shù)來(lái)促進(jìn)針對(duì)患者特定植入物的高度可定制的支架幾何形狀的生產(chǎn),。生產(chǎn)骨組織支架的當(dāng)前方法可包括：i）靜電紡絲,，ii）冷凍干燥，iii）3D打印或增材制造（AM）,，iv）相分離,，v）氣體發(fā)泡和vi）顆粒浸出（表 2）。這些技術(shù)中的一些可以細(xì)分為其他子類(lèi)別,，例如AM可以細(xì)分為熔融沉積建模（FDM）,，直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW），立體光刻（SLA）,，數(shù)字光處理（DLP）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）,。

表2. BTE的典型制造方法的描述，特性,，生物材料,，孔隙率和結(jié)構(gòu)/處理

未來(lái)討論三種最有希望的技術(shù)的功能和操作方法。

3.1 電紡

電紡涉及一個(gè)過(guò)程,，在該過(guò)程中,，由于靜電力的作用,，處于粘性狀態(tài)或溶液狀態(tài)的帶電聚合物流被吸入纖維中,。基本的靜電紡絲設(shè)備包括四個(gè)主要部分：i）注射泵，ii）電源,，iii）金屬針以使電流進(jìn)入聚合物溶液,，iv）金屬收集器以收集纖維。通常通過(guò)將噴絲頭和纖維收集器連接至相對(duì)端的電端子來(lái)形成支架,。端子之間的電勢(shì)差導(dǎo)致材料被抽出并沉積到收集器上,，這有助于納米級(jí)纖維的制造。膠原蛋白和具有高孔隙率的具有高表面積的納米纖維明膠典型地通過(guò)靜電處理,。

3.2 冷凍干燥

冷凍干燥或凍干是基于聚合物溶液的干燥,。它可以分為三個(gè)步驟：i）溶液制備，ii）溶液的澆鑄或模制,，iii）低壓冷凍和干燥,。在第三步中，通過(guò)升華和解吸分別提取冰和未凍結(jié)的水,。冷凍干燥能夠生產(chǎn)出孔隙率約為90％,，孔徑范圍為20至200 μm的支架�,？椎拇笮∮蓛鼋Y(jié)速率,，聚合物濃度和溫度控制。為了生產(chǎn)具有高孔隙率和互連性的支架,，需要高強(qiáng)度的真空,。

3.3 生物打印

生物打印技術(shù)的獨(dú)特之處在于，它可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件生成的3D數(shù)字模型創(chuàng)建復(fù)雜的,，可定制的分層幾何圖形,。這項(xiàng)新興技術(shù)能夠產(chǎn)生具有可控結(jié)構(gòu)和孔隙率，可調(diào)整的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的幾何形狀,，同時(shí)又可重現(xiàn)且具有成本效益,。此外，可以將細(xì)胞,，生物活性分子和/或藥物摻入結(jié)構(gòu)中以產(chǎn)生更好的細(xì)胞反應(yīng),。多種天然和合成聚合物，生物陶瓷及其組合已用于生產(chǎn)生物墨水,，而膠原蛋白及其衍生物是最常用于充滿細(xì)胞的溶液,。

生物打印可以分為以下步驟：i）預(yù)處理；ii）加工,；iii）后處理,。預(yù)處理是指通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）或磁共振成像（MRI）掃描對(duì)目標(biāo)組織的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，并將這些圖像轉(zhuǎn)換為切片的3D模型,。加工步驟涵蓋了生物打印組織生產(chǎn)中涉及的所有內(nèi)容,，即生物墨水的開(kāi)發(fā)和支架的制造,。后處理是指生物打印組織的成熟直至適合于體內(nèi)使用，通常發(fā)生在生物反應(yīng)器中,。

對(duì)于可印刷的生物墨水,，應(yīng)考慮幾個(gè)要求，例如流變行為（粘度和剪切稀化）,，表面張力,，溶脹，膠凝動(dòng)力學(xué)和材料的機(jī)械性能,。另一個(gè)重要的方面是在加工和后加工步驟中生物墨水的交聯(lián)（物理,，化學(xué)或酶促），以保持印刷結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)穩(wěn)定性,。物理交聯(lián)取決于溫度和分子相互作用以產(chǎn)生非共價(jià)鍵和有機(jī)自由基物質(zhì),。物理交聯(lián)的例子是使用二價(jià)離子（例如，Ca 2 +,，Ba 2+和Mg 2+）來(lái)交聯(lián)藻酸鹽,。化學(xué)交聯(lián)是由聚合物鏈之間的共價(jià)鍵的形成而獲得,，并且更穩(wěn)定,，比物理交聯(lián)更強(qiáng)。戊二醛（GTA）,，1-乙基-3- [3-二甲基氨基丙基]碳二亞胺鹽酸鹽（EDC）和1,4-丁二醇二縮水甘油醚（BDDGE）是最常見(jiàn)的聚合物官能團(tuán)交聯(lián)劑（例如,， COOH， OH,，或 NH 2）,。酶促交聯(lián)還可以促進(jìn)基于蛋白質(zhì)的聚合物之間的共價(jià)鍵合，并在生理?xiàng)l件下快速膠凝（不超過(guò)10分鐘）,。多種酶已用于原位凝膠化,，例如轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，分選酶,，賴(lài)氨酰氧化酶,，血漿胺氧化酶，磷酸泛肽基轉(zhuǎn)移酶,，磷酸酶,，β-內(nèi)酰胺酶，嗜熱菌素和過(guò)氧化物酶,。其中,，辣根過(guò)氧化物酶（HRP）具有用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中特別關(guān)注，因?yàn)樗�的快速凝膠化和可控的交聯(lián)密度,。HRP在氧化劑（例如過(guò)氧化氫(H 2 O 2))存在下催化苯胺,，苯酚和酪胺的偶聯(lián),。一個(gè)例子是HRP / H 2 O 2當(dāng)與彈性蛋白結(jié)合時(shí)，SF的交聯(lián)被提議作為用于水凝膠生物打印的快速固化生物墨水,。生物聚合物的甲基丙烯酸酯化是另一種廣泛應(yīng)用于定制其機(jī)械和生物功能性的化學(xué)修飾,。例如,，在光引發(fā)劑的存在下,，明膠與甲基丙烯酸酐的反應(yīng)衍生出甲基丙烯酸明膠（GelMA）。

在基于支架的（自上而下的方法）生物打印中,，將打印外源性生物材料基質(zhì)（例如水凝膠）,，并將細(xì)胞接種或作為生物墨水的一部分進(jìn)行打印。自上而下的打印方法通常用于骨骼組織,，因?yàn)樗鼈兒芸赡軐?shí)現(xiàn)骨骼所需的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能,。SLA，SLS和FDM是BTE中使用最普遍的生物打印形式,。為了克服諸如細(xì)胞接種效率低和細(xì)胞分布不足的挑戰(zhàn),，經(jīng)常使用將再生細(xì)胞封裝在外部基質(zhì)內(nèi)的仿生水凝膠。這些水凝膠已顯示出滿足細(xì)胞活力,，細(xì)胞錨定,，細(xì)胞遞送以及持續(xù)釋放生長(zhǎng)因子的化學(xué)線索的需求的有前途的能力。細(xì)胞印刷通常采用無(wú)支架（自下而上）的方法,，該方法依靠細(xì)胞聚集體通過(guò)自主自組裝融合在一起,。用于細(xì)胞打印的技術(shù)包括基于液滴的生物打印（適用于DIW）,，基于擠出的生物打�,。ㄟm用于FDM）和激光輔助生物打印。當(dāng)前的生物打印技術(shù)主要由單組分生物墨水主導(dǎo),，這種墨水通常在細(xì)胞活力和打印機(jī)可加工性之間缺乏可接受的折衷,。這些技術(shù)不適用于印刷大型骨支架，但不適用于具有高細(xì)胞密度的較小組織,。有趣的是,，已經(jīng)探索出混合方法，該方法在同時(shí)解決機(jī)械和生物學(xué)功能方面顯示出可喜的成就,。

3.4 脫細(xì)胞

脫細(xì)胞骨基質(zhì)（DBM）已廣泛用于BTE中,，作為支架和生物制造用生物墨水，旨在模仿天然骨微環(huán)境,。去細(xì)胞化包括從組織中去除所有細(xì)胞,，同時(shí)保留天然ECM組成及其結(jié)構(gòu)完整性，以及促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的能力,。獲得DBM的加工技術(shù)包括表面活性劑和酶促方法（例如乙二胺四乙酸與胰蛋白酶或十二烷基硫酸鈉（SDS）與氫氧化銨,，Triton X-100和脫氧膽酸鈉以及核酸酶和蛋白酶的組合）,，以及熱沖擊，超聲處理和靜水壓力,。后者的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)有害化學(xué)物質(zhì)的使用和蛋白質(zhì)變性的最小化,，因此可以保留高水平的ECM含量。最終步驟涉及使用核酸酶和脫水酒精徹底清除細(xì)胞殘留物,。通過(guò)測(cè)量DNA含量和細(xì)胞核染色可確認(rèn)脫細(xì)胞作用,。

基于DBM的支架可以單獨(dú)使用DBM制成，也可以與多種聚合物和生物陶瓷組合使用,，以增強(qiáng)其機(jī)械性能,，成骨作用和血管形成潛力。

骨組織工程中的支架結(jié)構(gòu)/功能特性

骨組織結(jié)構(gòu)是BTE中的關(guān)鍵特征,，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)會(huì)影響機(jī)械性能和生物學(xué)響應(yīng),。在執(zhí)行天然骨骼的承重功能時(shí)，支架還應(yīng)促進(jìn)血管形成,。支架的互連多孔結(jié)構(gòu)（圖 3）允許天然細(xì)胞遷移和增殖,。此外，最佳設(shè)計(jì)應(yīng)為細(xì)胞-支架相互作用提供足夠的表面積,，同時(shí)促進(jìn)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物的擴(kuò)散以及廢物的排出,。

圖3

通常，需要孔徑≥300μm以促進(jìn)新的骨形成和血管形成,，而可接受的最小尺寸為≈100μm,。由于提供足夠的氧氣和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)空間，較大的孔徑被證明是骨骼生長(zhǎng)的最佳選擇,，這進(jìn)一步促進(jìn)了新骨組織中的血管形成,。通常，BTE支架的孔徑在50至> 900 μm的范圍內(nèi),。已顯示大孔可通過(guò)介導(dǎo)血管形成來(lái)促進(jìn)骨誘導(dǎo)性,。但是，小于100 μm的孔徑可能會(huì)阻止血管生成,。550 μm的平均孔徑已被證明是最理想的骨形成方法,，而分層的多孔結(jié)構(gòu)已被證明可以增強(qiáng)生物學(xué)特性。滲流理論,，如圖3A所示 ,，用于計(jì)算可以穿越支架相互連接的孔的最大示蹤劑的直徑。滲濾直徑對(duì)于理解支架的互連至關(guān)重要,，因?yàn)樗�限制了可以通過(guò)支架的細(xì)胞和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的大小,。在另一側(cè)，瓶頸尺寸由圖3B中的括號(hào)指示 ,，描述孔之間連接的直徑,。一項(xiàng)體內(nèi)研究表明,，骨替代物的最佳孔/瓶頸尺寸為700-1200 μm，因此可以通過(guò)印刷技術(shù)進(jìn)行控制,。

組織工程化的骨骼需要具有足夠的抗壓強(qiáng)度以支撐體重,。通常，小梁骨和皮質(zhì)骨的壓縮模量分別高達(dá)2.0 GPa和14-18 GPa,。另一方面,，制成的支架的彈性模量也必須足夠高，以在體內(nèi)維持其結(jié)構(gòu)并促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng),。支架的降解率必須與天然ECM的增長(zhǎng)相匹配,，以確保在支架的整個(gè)生命周期中都具有機(jī)械支撐,。這在很大程度上取決于流體的進(jìn)入速率,，而流體的進(jìn)入速率又是孔隙率的函數(shù)。因此,，增加的孔隙率以降低的機(jī)械性能為代價(jià),，對(duì)支架的降解產(chǎn)生了積極的影響。骨組織支架的孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間的典型反比關(guān)系如圖 4所示,�,？椎幕ミB性，孔徑形狀在制造用于骨組織修復(fù)的理想支架中起著重要作用,�,？紤]到組織修復(fù)率會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而降低，因此應(yīng)仔細(xì)考慮支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇,。

圖4

生物打印的骨支架可以制造具有受控的物理和機(jī)械性能的工程組織,，可以結(jié)合多種生物墨水的打印以及在不同的層和漸變中進(jìn)行打印。例如,，機(jī)械強(qiáng)度高的“松質(zhì)骨狀”可印刷植入物,，含有包封在PLGA微粒干細(xì)胞和編程因子控釋?zhuān)瑤椭�的新穎局部遞送策略的發(fā)展直接用于骨細(xì)胞行為修理。

關(guān)于基于dECM的BTE支架的使用,，已經(jīng)報(bào)道了具有指導(dǎo)性生物分子且免疫反應(yīng)降低的理想微環(huán)境,。例如，體外研究表明,，培養(yǎng)21天后,，大鼠BMSC在PCL /脫細(xì)胞牛小腸粘膜下層/ HAp多層支架上沿成骨細(xì)胞譜系增殖和分化，同時(shí)保持了機(jī)械性能,。與這些研究平行的是,，基于dBM的支架的生物打印已受到相當(dāng)多的關(guān)注，表明精確的孔徑和微孔可以調(diào)節(jié)血管的浸潤(rùn),，從而導(dǎo)致新的骨形成以及增強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性,。

骨骼組織工程中的5種支架結(jié)構(gòu)/加工關(guān)系

結(jié)構(gòu)的控制最終控制了機(jī)械性能,，并在較小程度上控制了生物學(xué)響應(yīng)。因此,，評(píng)估哪種制造方法可以提供對(duì)結(jié)構(gòu)的最大控制以模仿天然組織至關(guān)重要,。盡管支架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵方面（包括孔徑，形狀,，方向和互連性）是通過(guò)加工方法的空間分辨率和幾何控制直接確定的,，但它們卻受到加工時(shí)間，交聯(lián)機(jī)制和熱降解的間接影響,。例如,，膠凝速率對(duì)于設(shè)定合適的印刷速度至關(guān)重要，以確保在整個(gè)加工過(guò)程和后加工過(guò)程中保持支架的剛度,，因此需要在印刷之前通過(guò)檢查其化學(xué),，物理或酶促交聯(lián)機(jī)理來(lái)分析生物墨水的膠凝。

而表 2提供了對(duì)當(dāng)前最先進(jìn)制造技術(shù)的洞察力,，這并不一定為以下問(wèn)題提供簡(jiǎn)單的答案-哪種技術(shù)將成為BTE的主導(dǎo),？例如，空間分辨率本質(zhì)上與機(jī)械和生物學(xué)特性相關(guān)聯(lián),，因此是關(guān)鍵因素,，但這需要在特定背景下加以考慮。與增材制造方法相比,，可通過(guò)噴墨生物打印適用于大型骨骼構(gòu)造的陶瓷支架獲得更高的分辨率（約15 μm）,，但是該技術(shù)因其與細(xì)胞印刷不兼容而受到限制。另一個(gè)例子是,，皮質(zhì)骨的孔隙率通常僅為5-10％,，而松質(zhì)骨的孔隙率則為50-90％，因此,，適用的技術(shù)必須促進(jìn)在這些范圍內(nèi)產(chǎn)生孔隙,。

迄今為止，尚無(wú)加工技術(shù)能夠構(gòu)建與天然骨組織相同的體系結(jié)構(gòu),，但是隨著先進(jìn)醫(yī)療材料的發(fā)展,，這種技術(shù)將發(fā)生改變，這種材料可促進(jìn)微擠壓而不會(huì)堵塞噴嘴,，從而提供高水平的空間分辨率,。其他加工問(wèn)題和局限性可能會(huì)通過(guò)結(jié)合技術(shù)來(lái)解決，例如AM,，可以與顆粒浸出或冷凍干燥相結(jié)合,，以克服基于材料或結(jié)構(gòu)的局限性。

5.1 臨床試驗(yàn)

值得注意的是，尚未為BTE建立最佳的生物材料,，因此跨制造技術(shù)的比較仍然缺乏跨最佳骨組織材料進(jìn)行類(lèi)似比較的優(yōu)點(diǎn),。迄今為止，有限的骨組織支架已經(jīng)進(jìn)入臨床應(yīng)用,，盡管這未能提供對(duì)結(jié)構(gòu)-加工關(guān)系的關(guān)鍵見(jiàn)解,，但它為選擇最佳材料提供了有意義的背景。Zeng等綜述了修復(fù)骨缺損的臨床試驗(yàn)研究,，其中八種使用天然支架（膠原蛋白和明膠）,，十二種使用合成支架。據(jù)報(bào)道,，將支架與骨刺激劑結(jié)合使用可加速骨愈合,，其中HAp /膠原蛋白顯示出最高的骨再生水平。在少數(shù)臨床可用產(chǎn)品中,，由天然生物聚合物（膠原蛋白和明膠）以及無(wú)機(jī)添加劑（例如TCP和HAp）組成的復(fù)合材料往往會(huì)主導(dǎo)市場(chǎng),。

5.2 層次結(jié)構(gòu)

如圖 5所示，由于骨骼再生是通過(guò)細(xì)胞和支架的協(xié)同作用進(jìn)行的,，因此BTE中的許多研究都采用了模仿骨骼組織的分層孔結(jié)構(gòu)的策略,。使用間接3D打印和冷凍干燥的組合方法,，創(chuàng)建了由SF和生物活性玻璃組成的分層3D生物活性支架,，該支架表現(xiàn)出兩個(gè)級(jí)別的孔，分別為500–600和10–50 μm,。這產(chǎn)生了極好的機(jī)械穩(wěn)定性和柔韌性,，分層多孔支架在潮濕條件下壓縮加載后沒(méi)有任何波動(dòng)。此外,，與普通SF支架相比,，生物復(fù)合支架促進(jìn)了人類(lèi)骨髓干細(xì)胞的附著以及堿性磷酸酶（ALP）活性，從而突出了BTE應(yīng)用中分層結(jié)構(gòu)的希望,。

圖5

更好地模仿天然骨組織的復(fù)雜形態(tài)傾向于具有更大的機(jī)械性能,。例如，PCL/ PLGA支架對(duì)于不同的支架形態(tài)表現(xiàn)出不同的楊氏模量：對(duì)角線（9.81 MPa）,，交錯(cuò)（7.43 MPa）和晶格（6.05 MPa）,。較少報(bào)道的結(jié)構(gòu)特征是孔定向，該特征對(duì)機(jī)械性能具有明顯和可測(cè)量的影響,。已對(duì)通過(guò)順序單向冷凍制備的殼聚糖和明膠（B型）支架進(jìn)行了檢查,。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，基于孔隙取向,，壓縮模量,，拉伸模量和剪切模量都顯示出相同的趨勢(shì)，即垂直>隨機(jī)取向>水平。這進(jìn)一步增加了對(duì)加工技術(shù)的推測(cè),，該加工技術(shù)可以產(chǎn)生具有與天然骨組織的取向?qū)��?zhǔn)的受控的孔取向的支架,。這些工作集中于將AM與其他傳統(tǒng)的組織工程方法（例如氣體發(fā)泡）相結(jié)合，這些方法表明可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)孔隙率和幾何控制,。

Kim等使用3D打印和鹽浸相結(jié)合的方法,，制造了孔徑（宏觀和微觀）不同的磷酸鎂（MgP）陶瓷支架，并研究了兔顱蓋模型的體內(nèi)反應(yīng),。創(chuàng)建了三種類(lèi)型的支架,，所有支架都存在大孔（> 100 um），但微孔水平不同（圖 6A）,。含有微孔的MgP支架顯示出較高孔隙率的層狀形態(tài)（圖 6B）,，與MgP0（圖6C）相比，它促進(jìn)了更快的生物降解,，似乎增強(qiáng)了骨骼的形成和重塑活動(dòng) ,。

圖6

劉等報(bào)告了在成年兔的血管形成不同的孔的水平，使用聚（3-羥基丁酸酯的沖擊共-3-羥基己酸酯）（PHBHHx）支架制造由合并的溶劑澆鑄和顆粒瀝濾方法,。雖然先前的研究主要是從宏觀和微觀的角度研究多孔結(jié)構(gòu),，但Liu等人。證明了介孔材料（2-50 nm）具有以下能力：i）刺激HAp的形成,，ii）促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化,，iii）增強(qiáng)骨基質(zhì)界面強(qiáng)度。此外,，介孔材料的加入有利于傳遞生長(zhǎng)因子,，例如BMP-2，并促進(jìn)血管生成,，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了骨的再生,，如圖7所示。

圖7

盡管本綜述中介紹的大多數(shù)制造技術(shù)都能夠產(chǎn)生微孔和大孔的組合,，但仍需要提高空間分辨率和精度才能始終如一地產(chǎn)生高度受控的中孔,。鄭等。演示了近凈成形制造方法金屬注射成型（MIM）在鈦植入物制造中的應(yīng)用,。這有助于精確表示天然骨組織的多孔結(jié)構(gòu),，直至中孔水平，并且已證明在體內(nèi)成骨犬模型中是有益的,。盡管用于長(zhǎng)期植入的作為生物穩(wěn)定和生物惰性材料的鈦在本次審查中超出了范圍,，但該制造技術(shù)仍可提供對(duì)BTE中精確控制結(jié)構(gòu)的好處的見(jiàn)解。

改善骨骼組織工程中支架血管化的6種先進(jìn)策略

血管化是BTE中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn),，因?yàn)榻M織厚度限制了營(yíng)養(yǎng)和氧氣擴(kuò)散,，這是在骨愈合和再生過(guò)程中支持骨整合和成骨作用所必需的（圖 8）。眾所周知，血管生成會(huì)影響成骨,，在新的骨形成過(guò)程中,，特別是在臨界尺寸的缺損中，骨祖細(xì)胞和成骨細(xì)胞靠近血管內(nèi)皮細(xì)胞,。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）是血管生長(zhǎng)的主要生長(zhǎng)因子,，在骨骼修復(fù)/再生過(guò)程中需要有效地將血管生成與成骨結(jié)合起來(lái)。

圖8

已經(jīng)探索了在工程支架中開(kāi)發(fā)合適的血管網(wǎng)絡(luò)的各種策略,，即：i）在支架設(shè)計(jì)中使用生物相容性材料,；ii）如第5節(jié)所述，支架的微納結(jié)構(gòu),，形態(tài),，孔隙率和粗糙度 ；iii）離子摻雜材料,；iv）添加血管生成生長(zhǎng)因子（例如,，VEGF和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（FGF））或重組蛋白；v）在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下共培養(yǎng)細(xì)胞系統(tǒng)（表 3）,。

                                                                                                表3. BTE的血管化策略

圖9

據(jù)報(bào)道,，使用低溫3D打印技術(shù)制造包含水/ PLGA /二氯甲烷（DCM）乳狀油墨支架的β-TCP和成骨肽（OP）作為BTE的血管化方法。然后將支架涂上含有I型膠原水凝膠的血管生成肽（AP）,，以確保血管生成能力（圖 10A）,。培養(yǎng)3天后，使用接種在支架上的大鼠內(nèi)皮細(xì)胞（EC）進(jìn)行的體外血管生成測(cè)試顯示,，活細(xì)胞的存活率為98％（圖 10B - a,，b）。還觀察到在含有AP,，支架的提取物增強(qiáng)的EC遷移，由于其快速釋放（圖 10B -c,，d）,。

圖10

涉及在材料中摻入生物活性離子（例如，Mg,，Ce和Cu）的策略導(dǎo)致血管生成和成骨標(biāo)記物水平增加,。Gu等。制備了摻有Mg的β-TCP支架,，該支架與人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hBMSCs）和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）培養(yǎng),，以實(shí)現(xiàn)骨形成和良好的血管形成潛力。此外,，馬等,。報(bào)道了摻鎂的3D打印鉭支架上血管化骨形成的顯著改善。另一種報(bào)道的方法是將Ce納米顆粒摻入通過(guò)電紡絲獲得的PLLA /明膠復(fù)合支架中。小雞胚胎絨膜尿囊膜（CAM）作為用于血管生成評(píng)估的體內(nèi)模型系統(tǒng)顯示,，當(dāng)用VEFG治療時(shí),，胚胎血管顯著增加。傳遞在血管生成和成骨中起關(guān)鍵作用的生物活性離子的另一種方法是使用生物活性玻璃生物材料支架,。在網(wǎng)絡(luò)溶解過(guò)程中,，生物玻璃化學(xué)結(jié)構(gòu)中存在的離子的釋放可以激活與血管形成和骨形成相關(guān)的不同基因。

血管生成細(xì)胞與多能干細(xì)胞的共培養(yǎng)對(duì)新血管的形成和成骨具有積極作用,，這是另一種血管形成策略,。例如，He等人,。觀察到,，ASC /內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPC）共培養(yǎng)系統(tǒng)與HAp支架相結(jié)合可顯著促進(jìn)臨界尺寸骨缺損的再生和血管生成。在Honda等人的一項(xiàng)研究中,，在HUVEC和MC3T3-E1細(xì)胞共培養(yǎng)的條件下,，結(jié)合結(jié)締組織生長(zhǎng)因子（CTGF）的HAp纖維支架通過(guò)刺激血管生成而增強(qiáng)了成骨作用。Thrivikraman等,。開(kāi)發(fā)了一種充滿細(xì)胞的膠原蛋白水凝膠,，封裝了HUVECS和BMSC的共培養(yǎng)物，能夠刺激hMSC的成骨分化,，同時(shí)能夠在體外和體內(nèi)形成hMSC支持的血管毛細(xì)血管,。Markou等。使用嵌入膠原蛋白/纖維蛋白原/纖連蛋白水凝膠中的內(nèi)皮細(xì)胞,，平滑肌細(xì)胞和周細(xì)胞（血管類(lèi)器官）制造血管化組織,，可用作體外萌發(fā)的毛細(xì)血管狀結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)和快速創(chuàng)建功能性血管網(wǎng)絡(luò)體內(nèi)。

使用PCL納米纖維（NFM）設(shè)計(jì)了另一種旨在復(fù)制自體血管化BTE的策略,，該P(yáng)CL納米纖維的表面包含結(jié)合的內(nèi)源性骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）和VEGF,。Chick CAM體內(nèi)試驗(yàn)顯示，植入7天后,，在含有內(nèi)源性VEGF（VEGF和BMP2 | VEGF）的系統(tǒng)中形成具有高度分支的毛細(xì)血管網(wǎng)的高度成熟的血管（圖 11）,。

圖11

骨組織工程中的7種免疫調(diào)節(jié)支架

具有調(diào)節(jié)具有免疫調(diào)節(jié)特性的宿主對(duì)支架免疫應(yīng)答能力的支架可以在不同程度上利用再生潛能。免疫細(xì)胞的激活在調(diào)節(jié)病理狀態(tài)下骨骼重建和吸收的平衡方面很重要,。在免疫細(xì)胞中,，巨噬細(xì)胞負(fù)責(zé)吞噬和募集其他在組織愈合過(guò)程中至關(guān)重要的細(xì)胞。

生物材料的物理化學(xué)特性,，例如形狀,，大小，孔隙率和化學(xué)功能性,，以及生物材料的類(lèi)型,，可以刺激免疫或炎癥途徑,，并最終促進(jìn)新骨的形成。Wang等,。制備的摻有鑭（La）的磁性鑭（HA）納米粒子/殼聚糖支架（MLaHA/CS）能夠募集大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（rBMSC）并通過(guò)巨噬細(xì)胞極化調(diào)節(jié)宿主對(duì)支架的免疫反應(yīng),，以實(shí)現(xiàn)骨骼再生。支架呈現(xiàn)出具有板狀納米粒子的相互連接的大孔,，寬約50-150 nm,，厚約30 nm。觀察到磁性納米粒子和La摻雜劑可以抑制巨噬細(xì)胞向M1的分化,，從而降低炎癥反應(yīng)并促進(jìn)M2巨噬細(xì)胞極化,，從而為骨修復(fù)提供促進(jìn)再生的微環(huán)境(圖 12A))。與其他組合物相比,，在大鼠顱骨缺損模式下進(jìn)行的體內(nèi)測(cè)試顯示,，MLaHA / CS組的新骨形成高（圖 12B）。

圖12

另一個(gè)有趣的方法是使用基于CaPs的生物材料來(lái)觸發(fā)所需的免疫反應(yīng)并增強(qiáng)骨骼愈合,，這主要?dú)w因于CaPs的骨傳導(dǎo)能力,。此外，所述帽結(jié)構(gòu)特征可強(qiáng)烈影響特定細(xì)胞應(yīng)答,。例如,，納米級(jí)缺鈣HAp（CDHA）可以刺激成骨，而高孔隙度可以正向調(diào)節(jié)其炎癥能力,。此外,，將CaP與MSC結(jié)合可以突出宿主免疫系統(tǒng)對(duì)骨骼再生的主要作用。另一方面,，與CDHA生物材料相比,，接種巨噬細(xì)胞的β-TCP表現(xiàn)出減少的促炎細(xì)胞因子。最近,，有人提出了一種支架策略,，該策略包括用能夠調(diào)節(jié)骨骼生物學(xué)反應(yīng)的生物活性離子功能化的β-TCP。例如,，由β-TCP的生物復(fù)合材料摻雜有錳2+,，鋅2+，和/或Sr 2+結(jié)合SF根據(jù)特定離子摻雜劑呈現(xiàn)生物反應(yīng),。而Sr 2+和Mn 2+摻雜顯示出高成骨性，摻雜Zn 2+的支架增強(qiáng)了細(xì)胞增殖,，因此顯示出促進(jìn)免疫調(diào)節(jié)的能力,。

結(jié)論和未來(lái)展望

顯然，傳統(tǒng)的和最先進(jìn)的組織工程手段在BTE中都具有潛力,。最佳的制造方法必須能夠生產(chǎn)能夠滿足所需組織特征（即結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性-孔隙度,，孔徑和孔隙互連性,，機(jī)械性能，生物相容性,，骨電導(dǎo)/骨誘導(dǎo)性和血管生成潛力）的復(fù)合支架,。仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。僅注意這些關(guān)鍵特性和制造方法之間的關(guān)系,，才有可能開(kāi)發(fā)出具有與天然骨組織相同的分層結(jié)構(gòu)的合適生物材料,。

盡管適應(yīng)和實(shí)現(xiàn)用于BTE的臨床翻譯的支架制造技術(shù)仍然是一個(gè)主要挑戰(zhàn)，但臨床上使用的支架數(shù)量非常有限,。由于骨組織的復(fù)雜復(fù)合性質(zhì),，使用單一材料的支架制造方法可能不會(huì)在BTE中占據(jù)領(lǐng)先地位。由于支架的結(jié)構(gòu)特征嚴(yán)重影響機(jī)械和生物學(xué)性能,，因此具有隨機(jī)孔取向和缺乏孔控制的加工將不適用于要求苛刻的應(yīng)用,，例如大骨置換。此外,，現(xiàn)在清楚的是,，將受控的分層孔結(jié)構(gòu)與定義的孔形狀的互連孔網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合對(duì)于骨組織的制造至關(guān)重要。所以,，磁共振成像（MRI）,，計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和微型CT掃描技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了患者特定結(jié)構(gòu)信息的可能性，這些信息可以反饋到支架設(shè)計(jì)環(huán)中并用于監(jiān)測(cè)術(shù)后結(jié)構(gòu)變化,。通常,，基于AM的技術(shù)能夠通過(guò)利用數(shù)字孿生子（CAD模型）緊密生成所需的支架架構(gòu)。當(dāng)前,，跨其他技術(shù)的結(jié)構(gòu)和分辨率缺陷歸因于硬件內(nèi)的物理限制,。

盡管這種方法對(duì)于諸如靜電紡絲這樣的技術(shù)仍然是新穎的，但它突出了基于AM的方法的基本原理的好處,。但是,，在復(fù)雜的基于過(guò)程的相互作用中控制纖維直徑，例如攪動(dòng)幅度,，靜電力,，此外，將CAD與統(tǒng)計(jì)技術(shù)和有限元分析（FEA）結(jié)合使用可以進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能之間的關(guān)系,。雖然基于擠壓的增材制造系統(tǒng)最有可能復(fù)制具有預(yù)定義內(nèi)部幾何形狀的結(jié)構(gòu),，但由于系統(tǒng)的物理限制（例如，噴嘴直徑和運(yùn)動(dòng)控制）,，它們速度慢且打印分辨率差,。克服這些局限性對(duì)于BTE的發(fā)展至關(guān)重要,，候選方法可能將包括技術(shù)組合,。細(xì)胞活力和營(yíng)養(yǎng)素在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的灌注將需要新的生物墨水,，而微載體的摻入將顯示出希望�,；�于聚合的制造方法（例如SLA）可以克服分辨率和速度問(wèn)題,；然而，在考慮本文概述的特性的同時(shí),，必須開(kāi)發(fā)新材料,。在支架制造中使用的不同生物材料的集合中，聚合物和無(wú)機(jī)材料的組合被認(rèn)為是最有前途的,。這些復(fù)合材料具有更好的強(qiáng)度,，足夠的生物降解性和免疫反應(yīng)。

簡(jiǎn)而言之,，要?jiǎng)?chuàng)建模仿天然ECM的骨組織,，就需要在結(jié)構(gòu)處理關(guān)系與同時(shí)進(jìn)行的材料開(kāi)發(fā)方面做出進(jìn)一步的努力。由于提到的有關(guān)不同制造技術(shù)的固有局限性,，組合策略提供了潛力,。增材制造技術(shù)與最新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)相結(jié)合，在未來(lái)幾年中具有巨大的潛力,，可以將特定于患者的解決方案從實(shí)驗(yàn)室?guī)У酱策�,，同時(shí)提高患者的治療效果。

關(guān)于BTE中血管化和免疫調(diào)節(jié)的巨大挑戰(zhàn),，已成功報(bào)道了幾種誘導(dǎo)血管生成和成骨的方法,。然而，組織工程化的血管化骨移植物在臨床中的有效應(yīng)用是非常有限的,。應(yīng)注意正確理解生長(zhǎng)因子釋放的動(dòng)力學(xué)和局部生物力學(xué)環(huán)境,。在這種情況下，支架開(kāi)發(fā)過(guò)程中的工程梯度可以為BTE開(kāi)辟新的可能性,。

最后,，應(yīng)考慮采用具有免疫調(diào)節(jié)特性的仿生支架設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)原位骨再生以改善臨床效果,。

參考文獻(xiàn)

https://doi.org/10.1002/adfm.202010609（點(diǎn)擊文末閱讀原文查看英文原文）

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