一、研究背景

骨作為一種承重組織，是第二大最常見的移植組織，每年的植骨手術(shù)超過 200 萬例。輕微的骨折和損傷可通過其再生能力進(jìn)行修復(fù)，而明顯的缺損則需要一個(gè)完整的再生過程。雖然自體移植物和異體移植物在臨床上用于骨重建已有很長一段時(shí)間，但每種移植物都有其局限性。與自體移植物相關(guān)的供體部位并發(fā)癥和副作用導(dǎo)致漫長的等待時(shí)間和每天至少 20 例死亡。

近來，組織工程（TE）已成為骨和肌肉骨骼組織修復(fù)的另一種策略，其重點(diǎn)是復(fù)制原生細(xì)胞環(huán)境。一些由癌癥、手術(shù)、創(chuàng)傷和其他重大疾病導(dǎo)致的大面積骨缺損應(yīng)得到徹底干預(yù)。在此，設(shè)計(jì)一個(gè)可行的結(jié)構(gòu)并制作一個(gè)合適的三維支架作為骨組織工程的主要目的，可以填補(bǔ)等待移植的患者與可用供體之間的空白。骨組織工程（BTE）的主要目標(biāo)是在設(shè)計(jì)的合成支架上播種合適的細(xì)胞，并通過細(xì)胞生長天然 ECM。生物聚合物、生物陶瓷和復(fù)合材料是制造具有適當(dāng)細(xì)胞活力和功能的硬組織定制支架的常用材料。

天然聚合物在人體環(huán)境中具有適當(dāng)?shù)纳锵嗳菪?，但也有一些限制，如加工性和機(jī)械性能較差，因此不適合僅用作 BTE 的支架。合成聚合物具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和出色的合成與改性能力。然而，這類生物材料，尤其是疏水性生物材料，并不具有出色的細(xì)胞粘附性。為了克服各類生物材料的局限性，可將天然聚合物和合成聚合物結(jié)合使用，這樣既能整合兩者的特點(diǎn)，又能消除限制。

因此，具有良好細(xì)胞活力、細(xì)胞功能、機(jī)械性能和成骨能力的各種生物聚合物、生物陶瓷及其組合物有望成為 BTE 臨床應(yīng)用的候選材料。基于生物陶瓷的骨支架與天然骨的礦物相類似，具有生物活性、高硬度、骨傳導(dǎo)性和高機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)，是 BTE 不可或缺的組成部分。然而，由于通過各種技術(shù)加工材料有一定的局限性，因此需要謹(jǐn)慎選擇制造方法。

研究表明，利用混合材料成分和三維打印方法及 ES 技術(shù)制備具有合適特征的分層結(jié)構(gòu)，為 BTE 制備合適的支架，可有效促進(jìn)骨再生（圖 1）。研究人員認(rèn)為，將 ES 與三維打印技術(shù)相結(jié)合，可在三維打印的微觀結(jié)構(gòu)上制備出具有納米形貌結(jié)構(gòu)的納米纖維網(wǎng)，從而制備出符合所有標(biāo)準(zhǔn)的多結(jié)構(gòu)支架，作為修復(fù)骨組織缺損的理想支架。合成和開發(fā)新型納米材料和納米結(jié)構(gòu)將在這方面有所幫助。

本研究突出了這兩種技術(shù)相結(jié)合的最新趨勢，強(qiáng)調(diào)了這種方法在骨再生中的適用性。據(jù)我們所知，這是第一項(xiàng)建議在骨支架中使用三維打印和電紡絲整合技術(shù)的綜述性研究，而之前的一些研究則證明了這種方法的有效性。

二、摘要

骨組織工程的主要目標(biāo)是通過使用合適的三維支架、適當(dāng)?shù)募?xì)胞和生長激素來修復(fù)骨缺損并使其恢復(fù)活力。制作三維支架的方法多種多樣，可為細(xì)胞活動(dòng)和骨形成提供必要的環(huán)境。多種材料可用于制造具有分層結(jié)構(gòu)的支架，這種結(jié)構(gòu)最適合細(xì)胞生長和特化。本研究探討了結(jié)合使用機(jī)器人鑄造法和利用電紡絲設(shè)備創(chuàng)建骨再生最佳框架的概念。研究表明，這兩種方法的結(jié)合可以增強(qiáng)每種方法的優(yōu)點(diǎn)，并為通過這種結(jié)合解決它們的缺點(diǎn)提供了理論依據(jù)。預(yù)計(jì)這種混合方法將提供一種人造支架，既能有效替代骨缺損，又具備骨再生的必要品質(zhì)。

三、結(jié)論

支架作為一種人造三維結(jié)構(gòu)，旨在支持細(xì)胞生長、粘附、遷移、增殖和分化。細(xì)胞行為包括細(xì)胞與細(xì)胞之間的相互作用，而細(xì)胞與生物材料之間的相互作用則取決于所設(shè)計(jì)的支架特性。機(jī)器人鑄造是一種基于擠壓的自動(dòng)成型技術(shù)，已被用作一種高效的支架制造方法，能夠制造出復(fù)雜的外部幾何形狀以及具有微觀結(jié)構(gòu)和孔隙的可控內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，ES 是一種連續(xù)的工藝，能夠在基底表面沉積排列整齊或隨機(jī)的微/納米纖維，為細(xì)胞的附著、生長和分化提供理想的形貌，并增強(qiáng)所制備支架的機(jī)械性能。

研究表明，將這兩種技術(shù)結(jié)合起來，既能發(fā)揮這兩種方法的優(yōu)勢，又能彌補(bǔ)其不足。然而，根據(jù)所需的生物特性和工程特性選擇合適的材料，對(duì)于打印或電紡應(yīng)用來說至關(guān)重要。通過這種混合方法制備的支架有望成為 TE 應(yīng)用中理想的骨替代物。

圖1.利用三維打印和 ES 技術(shù)制備理想支架的假設(shè)示意圖。

圖2.A 使用混合技術(shù)制作的分層褶皺示意圖 B 三維打印的正視圖和側(cè)視圖、 C 電紡纖維墊，以及 D 電紡絲纖維的掃描電鏡顯微照片

圖3.所開發(fā)的混合工藝，可通過三維打?。ň酆衔镏苯尤廴诔练e）和電紡絲的組合重復(fù)工藝，制造出含有微纖維和納米纖維基質(zhì)的混合支架。