湖南大學《AM》綜述：3D打印骨組織工程智能支架的研究進展

由嚴重創傷、手術切除、或先天畸形等導致的大段骨缺損的修復和功能重建是臨床面臨的重大挑戰。骨組織工程（BTE）在治療這些嚴重骨缺損方面具有巨大的潛力，可以緩解傳統自體或同種異體骨移植中常見的供體骨不足、供區壞死、二次傷害及嚴重免疫排斥等問題。3D打印技術能在多尺度上控制BTE支架的結構，已被廣泛用于制造BTE仿生功能支架。與惰性和功能性骨支架相比，智能支架可以根據外源性和/或內源性刺激產生定制或可控的治療效果，如促成骨、抗菌、抗腫瘤等功能。

鑒于此，湖南大學朱偉/韓曉筱教授團隊與新加坡南洋理工大學周琨教授合作，近期在《Advanced Materials》期刊上發表題為“Recent Advances in 3D Printing of Smart Scaffolds for Bone Tissue Engineering and Regeneration"的綜述文章，系統總結了3D打印智能支架在骨組織工程應用的最新進展。文章首先概述了骨生理學特點（骨結構，骨愈合過程以及骨缺損修復策略），簡要介紹了BTE支架的性能要求及常用的3D打印技術，著重介紹了3D打印智能支架的各類刺激-響應策略、治療效果及應用（圖1），并對智能支架的研發和臨床前應用存在的挑戰和未來發展方向進行了評述和展望。

利用骨組織工程（BTE）支架來模擬細胞外基質（ECM）具有挑戰性，因為其不僅需要足夠的機械和生物性能，還需具備調節細胞動力學、生物活性因子、營養轉運和廢物清除的功能。傳統的惰性骨支架僅提供結構支撐，而不提供所需的生物學功能。例如，1890年由大象的牙齒和鍍鎳鋼組成的人工膝關節成功植入和1938年使用不銹鋼制造人工髖關節。材料科學和組織工程的發展促進了第二代功能性支架的開發和應用，即通過將多功能和生物材料固定在支架上，通過調節細胞-支架相互作用達到一定的治療效果。典型案例包括于1972年開發并商業化的含抗生素的骨水泥材料。此后，通過將生物活性因子或治療藥物載入骨支架中，以增強其生物活性、抗感染特性，甚至消除腫瘤的能力。此外，通過調整BTE支架的表面形貌和紋理，如微觀結構、表面粗糙度、潤濕性和表面電荷等，具有調節細胞行為、促進組織黏附、促進成骨誘導和骨重塑的潛力。

新一代智能支架是在功能支架的基礎上提供了刺激-響應的特性。通常以具有刺激-響應能力的智能材料為基礎，通過響應外源性或內源性刺激，支架發生結構和/或功能變化，從而實現微創植入、藥物控釋和模擬ECM動態特性等功能。例如，具有形狀記憶效應的智能支架可實現微創遞送、自適應填充不規則骨缺損的目的。又如，智能支架可以響應的釋放生物分子或藥物，或者直接調節宿主組織的反應，提高BTE支架的骨修復和治療效果（圖2）。這些刺激-響應策略使智能支架能夠以精確可控、高效和安全的方式治療效果。本文根據刺激的類型（即外源性和內源性刺激）對3D打印智能支架進行分類討論（圖3）。

外源性刺激是不直接接觸支架的身體外部信號，主要包括光、機械力、磁和超聲刺激等。在外源性刺激下，3D打印支架中負載的功能納米粒子產生物理或化學變化，從而賦予BTE支架特定的生物學或治療效果。例如，光和磁刺激可以誘導BTE支架產熱，從而實現形狀恢復、藥物釋放或殺死腫瘤細胞等功能。值得一提的是，合適的溫度（高于體溫2~4 ℃）也能提高間充質干細胞的成骨分化能力（圖4）。具有壓電性能的智能支架可以作為ECM產生類似天然組織的生物電信號，并激活電壓門控Ca2+通道和增強三磷酸腺苷誘導的肌動蛋白重構，從而誘導間充質干細胞向成骨細胞分化。據報道，5-100 mA的電流能夠有效促進骨再生（圖5）。光和聲刺激還能誘導支架產生對腫瘤細胞和細菌有毒性的活性氧（ROS）。智能支架的外源性刺激-響應策略具有能夠通過實時調整刺激強度從而調整所需治療效果的特性。

內源性刺激是直接接觸支架的身體內部信號，主要包括體溫環境、特殊病理下（糖尿病、骨髓炎和骨腫瘤等）的弱酸性環境、炎癥環境中過表達的炎癥因子（圖6）、過表達的特異性酶（圖7）。智能支架對這些內源性刺激產生特異性反應和發生結構轉化，包括溶膠-凝膠轉化、溶脹和酶水解，從而形狀回復或可控的釋放藥物，并對宿主細胞/組織產生生物效應。這些生物效應包括調控免疫環境下巨噬細胞的表型（促炎至抑炎）從而促進骨修復、或直接殺死細菌或腫瘤細胞起到治療效果。相比于外源性刺激，智能支架對于內源性刺激的響應更具敏感性和適應性。

對智能支架的研究極大地拓展了組織工程和再生醫學的視野。伴隨著智能支架技術的日益成熟，它有望更好地滿足臨床上對大段骨缺損修復、骨再生和治療的需求。然而現階段智能支架的臨床應用仍面臨諸多挑戰，主要包括：需要針對不同患者的年齡、性別、總體健康狀況等因素設計特定功能的支架；需要根據骨缺損的發病機制、部位和大小進行調整治療策略；需要精準控制外源性和內源性刺激強度/時間等參數，以優化智能支架的響應效果；由于植入支架與骨缺損處微環境之間的潛在相互作用機制尚不清楚，導致智能支架的治療效果缺乏可重復性和再現性。此外，還需要選擇能夠更加準確反映解剖、生物力學和生物學特性的大型動物模型進行機制研究、性能評價和安全性驗證，為臨床轉化提供理論依據。論文第一作者為湖南大學機械與運載工程學院博士生袁詢，通訊作者為朱偉助理教授和韓曉筱教授。文章得到了國家自然科學基金等項目資助。