综述：骨科领域含生长因子的 3D 打印支架研究进展

这篇综述聚焦骨科领域，探讨了含生长因子的 3D 打印支架。详细阐述了 3D 打印技术的类型、生长因子（如骨形态发生蛋白（BMPs）等）的作用，分析了支架材料特性及生长因子释放机制。研究表明该支架在骨科治疗中潜力巨大，但仍面临挑战，值得关注。

　　

一、引言

在骨科疾病治疗的广阔领域中，骨组织工程已成为备受瞩目的研究热点。许多骨科难题，像骨折、骨缺损、关节炎等，都有望借助骨组织工程找到解决方案。它不仅为传统骨移植提供了新的选择，还能有效解决自体骨移植不足、移植物组织相容性差以及诱导骨再生能力有限等问题。

生长因子，作为一类水溶性多肽，在细胞的增殖和分化过程中发挥着至关重要的作用。对于骨组织而言，成骨细胞的增殖与分化同样离不开生长因子的刺激。然而，生长因子的稳定性欠佳，且其有效递送面临诸多挑战，这在一定程度上限制了它在骨科临床中的应用。

3D 打印技术的出现为解决这些问题带来了新的契机。这项技术能够将生长因子精准地融入可定制的支架结构中，实现生长因子的稳定负载和可控释放。研究显示，在外科手术领域，3D 打印技术的应用中骨科占比达到 45.18%，其在骨科领域展现出了广阔的发展前景。将含生长因子的 3D 打印支架应用于骨科，为个性化治疗、骨缺损修复和骨再生提供了更优的选择，对骨科疾病的治疗意义重大，具备极高的研究价值。

二、3D 打印支架含生长因子相关内容

（一）3D 打印技术

3D 打印技术最早于 20 世纪 70 年代末被报道，发展至今，已可分为非生物 3D 打印技术和生物 3D 打印技术两大类。

1. 非生物 3D 打印技术
   • 立体光刻（SLA）：SLA 通过计算机输入数据和输出指令，利用激光束或数字光投影仪在液态树脂操作箱中进行固化打印。它具有较高的打印精度，能够打印出复杂的形状。但由于缺乏生物相容性树脂材料、成本高昂且打印速度较慢，在生物领域的发展受到了限制。
   • 熔融沉积建模（FDM）：FDM 是最常见的 3D 打印技术之一，它将热塑性材料加热熔化成半流体，通过喷嘴挤出形成二维层，再层层叠加构建出三维结构。该技术成本低、操作简单、打印速度快，还能通过双喷嘴进行混合打印，可调节孔隙率。然而，其打印过程需要高温，不适合打印具有生物活性的材料，如细胞和生长因子。
   • 选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）：SLS 通过激光烧结粉末材料形成三维结构；SLM 与 SLS 类似，但能使颗粒熔化融合；EBM 则使用电子束代替激光。它们都具有较高的机械强度，但分子的复杂分散限制了材料的选择，高温也不适用于生物活性物质。
   • 分层实体制造（LOM）：LOM 是将材料逐层粘贴，再用激光切割出相应形状。其主要材料为纸张、木板等，打印简便且成本低，但材料的局限性使其在生物医学领域的应用较为困难。
2. 生物 3D 打印技术
   • 喷墨打印：喷墨打印是最早应用于生物打印的技术，它通过计算机控制非接触式喷射，在基板上形成特定图案并层层叠加。其喷嘴可小至 50μm，能实现单细胞打印，适用材料广泛，但打印过程中细胞可能因挤压而死亡。
   • 激光辅助生物打印（LAB）：LAB 由脉冲激光、放置材料的基板和接收打印材料的基板组成。激光作用于放置材料的基板产生高压气泡，将材料推至接收基板形成三维结构。该技术分辨率高、细胞沉积密度大，但对交联要求高、价格昂贵，且激光对细胞的影响尚不明确。
   • 挤出打印：挤出打印通过气动或机械挤压使材料通过喷嘴挤出，层层打印形成三维结构。与喷墨打印不同，它能打印连续材料，可打印材料范围更广、粘度更高。不过，其打印精度相对较低，且机械应力可能影响细胞，但将生长因子嵌入聚合物微粒可起到保护作用。

（二）生长因子

近年来，在支架中负载生长因子和细胞以促进骨缺损的再生与修复受到了越来越多的关注。目前用于支架的生长因子主要包括骨形态发生蛋白（BMPs）、成纤维细胞生长因子（FGFs）、血小板衍生生长因子（PDGF）、血管内皮生长因子（VEGF）、转化生长因子 -β（TGF-β）等，此外还有胰岛素样生长因子（IGF）、基质细胞衍生因子（SDF-1）等。

1. BMPs
   • BMP-2：BMP-2 是研究最为广泛的 BMP 家族成员，在成骨、骨诱导和骨修复中发挥着关键作用。它主要通过 Smad1/5/8 信号通路，增强碱性磷酸酶和骨钙素的表达，促进骨髓间充质干细胞（MSCs）和成骨细胞的增殖与分化，进而实现成骨。但 BMP-2 的释放和活性受多种因素影响，过多或过少都可能带来不良影响。研究人员尝试了多种方法来优化 BMP-2 的负载和释放，如复合水凝胶、聚合物微粒封装等，还发现一些生长因子与 BMP-2 具有协同作用。
   • BMP-4：BMP-4 与软骨生长发育密切相关，可用于治疗软骨缺损。它能刺激软骨基质成分的产生，促进骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化。不过，BMP-4 半衰期短，易受环境影响。相关研究通过水凝胶负载等方式证实了其促进软骨再生和修复的能力。
   • BMP-6：BMP-6 也能促进成骨，可能通过增强 IGF-1 和表皮生长因子（EGF）的表达来实现。研究发现，IGF-1 与 BMP-6 联合使用比单独使用 BMP-6 具有更强的骨再生能力。有研究开发了嵌入 BMP-6 的静电纺丝支架，对生长因子有较好的保护作用。
   • BMP-7：BMP-7 具有骨诱导能力，虽对正常骨生长发育并非必需，但能促进骨生长，在软组织生长发育中也有重要作用。美国 FDA 已批准其用于临床骨诱导治疗，研究表明其在生理剂量下的缓慢释放可促进新骨形成。
   • BMP-9：BMP-9 在体内外均表现出较强的骨诱导能力，但其在骨骼系统中的具体作用机制尚不完全清楚。研究发现它通过抑制 p53 骨稳态通路等促进成骨细胞分化，是治疗骨缺损的有效诱导剂，不过其实际疗效和安全性仍需进一步研究。
2. FGFs：FGFs 参与多种反应，其中 FGF-2、FGF-8、FGF-9 和 FGF-18 具有骨诱导作用。研究发现，FGF-2 能增强骨髓间充质干细胞的增殖与分化，与 BMP-2 联合使用效果更明显。但目前对其他 FGFs 负载于支架治疗骨损伤的研究相对较少，且 FGF-21 和 FGF-23 的作用机制有待进一步明确。
3. PDGF：PDGF 是经美国 FDA 批准用于临床的生长因子，由多种同型二聚体组成，其中 PDGF-BB 在骨组织中活性最强，对促进成骨和血管生成均有重要作用。它能刺激 VEGF 的释放，促进新血管形成，调节多种细胞的增殖与分化。不过，PDGF-BB 与 BMP-2 之间存在复杂的相互作用，选择联合生长因子时需加以注意。研究人员通过不同方式实现了 PDGF-BB 的负载和缓释，以诱导骨再生。
4. VEGF：在骨形成过程中，血管发育先于骨形成，VEGF 在血管发育和骨形成中都起着关键作用。研究通过 3D 打印制备了含 VEGF 和多种生长因子的缓释支架，证实了其骨生成作用和协同效应。但由于 VEGF 与肿瘤血管生成相关，使用浓度受到限制，需进一步研究以合理利用其特性。
5. 其他生长因子：iFactor（P-15）经美国 FDA 批准用于临床，在脊柱治疗中可加速骨愈合；IGF-1 具有促进细胞增殖、抑制凋亡和促进肌肉骨骼增殖的作用，还对软骨有修复作用；SDF-1 能通过激活 SDF-1/CXCR4 信号通路招募骨髓间充质干细胞，促进骨损伤部位的骨生成。

（三）材料特性

骨支架作为骨组织工程的重要组成部分，需要具备良好的生物相容性、较强的机械性能、良好的生物活性和可降解性。不同材料具有各自独特的性质。

1. 金属
   • 非可降解金属：常用的非可降解金属包括钛合金、钽支架、不锈钢和钨合金等，它们具有良好的组织相容性和机械性能，常用于关节置换和骨折内固定植入。但作为异物存在于体内，需要二次手术取出，给患者带来痛苦并浪费医疗资源。
   • 可降解金属：目前用于骨支架的可降解金属主要有镁、铁、锌等。这些金属在骨缺损愈合过程中既能提供支撑，又能逐渐降解消失，减少异物残留，还能释放生物活性物质促进骨再生。但它们也存在一些问题，如镁的机械性能较差、降解速度较快；铁的降解速度较慢；锌的相关研究相对较少。研究人员通过多种方法对这些金属进行改进，如表面涂层、合金化等。
2. 聚合物
   • 天然聚合物：天然聚合物包括胶原蛋白、明胶、透明质酸、壳聚糖、海藻酸钠等。它们具有良好的生物相容性和可降解性，但机械性能不足，且降解速率难以调节，化学修饰可能破坏其生物活性。研究人员通过与其他材料复合等方式来改善其性能。
   • 合成聚合物：合成聚合物如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚乳酸 - 乙醇酸共聚物（PLGA）、聚乙醇酸（PGA）和聚乙二醇（PEG）等，具有可人工控制降解速率和机械性能的优点，但生物活性较低，降解产物可能不利于细胞生存，还会引发更多炎症和免疫反应。研究人员通过表面修饰等方法来优化其性能。
3. 生物活性陶瓷
   • 生物活性玻璃：生物活性玻璃主要由 SiO₂、CaO 和 P₂O₅等组成，能通过在体内发生化学反应促进骨再生。它可提高支架的机械性能和细胞分散性，但整体机械性能仍有待提高，脆性较大。
   • 羟基磷灰石：羟基磷灰石（HA）是骨组织中最丰富的无机成分，具有良好的生物相容性、生物活性和促进骨再生的能力。其降解性较差，但可与其他材料混合调节降解速率，广泛应用于骨缺损修复、牙科填充和 3D 支架打印等领域。
   • 磷酸三钙：磷酸三钙（TCP）与 HA 类似，具有良好的组织相容性和生物降解性。它有 β-TCP 和 α-TCP 两种结构，α-TCP 降解较快，常用于 3D 打印支架；β-TCP 相对稳定，更多用于骨组织工程。研究人员对 β-TCP 支架进行功能化修饰，使其具有清除活性氧（ROS）等功能，为治疗骨炎症性疾病提供了新方案。
4. 复合材料：由于单一材料存在诸多不足，复合材料逐渐成为研究的焦点。金属复合材料可解决金属降解速率过快和机械性能不足的问题；聚合物复合材料可改善聚合物分解产生的酸性微环境和降解速率；生物活性陶瓷复合材料可改变生物活性陶瓷的降解性。复合材料通过不同成分的组合和比例调整，能更接近骨组织的结构和功能。

（四）生长因子释放机制与控制

生长因子本质上是肽或蛋白质，其稳定性受物理、化学和生物等多种因素影响。物理因素如温度和光，高温易使生长因子变性失活，低温抑制其活性；光（主要是紫外线）可破坏其化学键。化学因素包括 pH 和氧化剂等，生长因子在特定 pH 范围内才稳定，氧化剂会氧化其某些基团。生物因素主要是蛋白水解酶的水解作用，可使生长因子失活。因此，确保生长因子的稳定性至关重要，同时维持其合适的浓度对于促进骨生成也非常关键。

生长因子的释放主要取决于其与支架的结合方式，常见的结合方法有物理吸附、化学结合、微球封装等。

1. 物理吸附：物理吸附是加载生长因子最简单的方法，但可能导致爆发式释放，产生副作用。不同生长因子在物理吸附时的释放曲线不同，可通过调整支架物理结构、表面修饰或微球封装等方式控制释放。目前对水凝胶结合等非共价键合方法研究较多。
2. 化学结合：化学结合能有效减少爆发式释放，通过化学反应使生长因子与支架以共价键结合，主要通过水解、还原或酶催化反应实现缓慢释放。但该方法需要对生长因子和支架进行化学修饰，过程复杂，且对生长因子活性的影响尚不明确。
3. 微球封装：微球封装是目前研究最广泛的方法，微球材料包括明胶、壳聚糖、聚合物材料等。微球具有小尺寸、大表面积的特点，有利于生长因子的负载和保护，能延长释放时间。但该方法也存在一些问题，如释放时间仍不理想，加载多种生长因子时难以选择性控制释放顺序等，研究人员通过改进微球结构等方法进行优化。

此外，一些研究发现可通过外部干扰（如温度、超声、红外光、机械应力等）改变支架的降解速率，从而调节生长因子的释放。3D 打印技术能更精确地控制生长因子在支架中的分布，使其释放更稳定。将智能控制方法与 3D 打印支架的个性化治疗相结合，有望解决许多难题，但同时释放多种物质和选择响应材料仍需进一步研究。

三、临床应用

骨具有较高的再生潜力，但骨缺损会给患者带来诸多问题，其治疗一直是临床面临的挑战。虽然自体移植是目前较为理想的治疗方法，但由于自体骨来源有限，往往无法满足需求。随着骨组织工程的不断研究，3D 打印支架应运而生，它解决了移植材料短缺和个性化定制的问题，但骨生成效果仍不能完全满足临床需求，因此含生长因子的 3D 打印支架成为研究热点。

在 3D 打印骨移植出现之前，骨移植有着悠久的历史，但早期的尝试大多失败。直到 20 世纪 90 年代，骨组织工程的提出和 3D 打印技术的应用，为骨移植带来了新的希望。目前，3D 打印在骨科临床实践中应用广泛，如模型打印辅助手术规划、定制假体等，但含生长因子的 3D 打印支架仍处于实验阶段，在临床试验中的应用较少，但未来具有广阔的应用前景。

四、挑战与未来方向

骨组织工程是治疗骨缺损等疾病的有效手段，含生长因子的支架是研究的重点。尽管含生长因子的 3D 打印支架研究日益成熟，但仍面临诸多问题。

打印精度的保证是一个难题，支架的孔隙结构和复杂的个性化几何形状对打印技术提出了很高的要求，打印类似骨组织的小梁结构仍然具有挑战性。生长因子的选择和浓度控制也存在困难，其在体外容易失活，选择合适的载体至关重要。目前，虽然可以通过多种方法控制支架的降解速率，但使其与骨生长速率相匹配仍需深入研究。3D 打印复合材料需要进一步优化成分和比例，以满足不同部位骨的机械性能要求，且降解产物不能对组织产生不良影响。此外，选择合适的打印方法和材料以实现高度仿生的支架打印也需要付出更多努力。

未来，从同一支架中可控释放多种生长因子（即 4D 打印）是治疗骨缺损的一个有前景的方向。4D 打印在 3D 的基础上增加了时间维度，通过材料对刺激（如物理、化学、生物刺激）的响应来控制支架的性能。然而，由于材料对外部刺激的响应有限，且多种生长因子的分子量和等电点可能相似，4D 打印实现按需渐进释放仍需进一步研究。

五、结论

骨组织工程是解决骨移植问题的重要工程，3D 打印骨支架是骨组织工程新时代的产物，能替代正常骨组织支撑机体。支架中负载的生长因子可激活和促进骨组织再生，减少骨愈合不良和不愈合的发生。

在 3D 打印骨支架的过程中，选择合适的打印材料至关重要。骨移植材料经历了从不可降解到可降解、从单一金属到聚合物、生物陶瓷再到复合材料的发展过程，材料的性能逐渐接近正常骨组织，不仅具备机械性能、生物相容性和生物活性，还能实现体外智能响应和按需释放生物活性物质。3D 打印技术为个性化支架提供了更多选择，不同材料适用于不同的打印方法。

生长因子在骨组织工程中的作用逐渐明晰，BMP 家族是最常见且有效的生长因子。通过 3D 打印制造的支架能精确贴合骨组织并提供机械支持，生长因子促进骨生长，随着骨的生长，支架逐渐降解消失。尽管目前许多研究仍处于实验阶段，但含生长因子的 3D 打印支架在治疗骨科疾病方面具有巨大的潜力，有望成为重要的治疗工具。

六、局限性

尽管含生长因子的 3D 打印支架在治疗骨缺损等难题方面展现出了潜力，但当前研究仍存在一些问题和局限性。可用于 3D 打印且具有良好机械性能和降解性能的生物材料有限，现有材料无法完全满足临床应用和长期需求。生长因子的释放速率和持续<