综述：3D/4D打印骨支架技术的进步及其在形状和性能方面的适应性

《Review of Materials Research》：Advances in 3D/4D printing of bone scaffolds and their shape/properties adaptability

人工骨移植中，骨支架需兼具形状适配性和功能特性。通过3D打印技术（如FDM、SLS、DIW等）可定制个性化结构，但需根据材料特性（聚合物、金属、陶瓷）选择适配工艺。生物陶瓷/聚合物复合支架面临界面结合与降解调控双重挑战，需引入耦合剂优化结合。抗菌功能化策略包括负载抗菌金属离子、利用酶催化生成ROS及智能响应材料（如光热、压电、热电材料）。4D打印技术通过编程材料响应外部刺激（热、电、光、磁）实现动态形态调整，提升与骨组织的适配性。未来需解决动态降解与再生匹配、多阶段功能切换、实时监测及临床转化难题。

　　人工骨移植已成为骨缺损治疗与修复研究领域的热点话题，其中骨支架是核心因素。骨支架需要提供一个临时的微环境以促进骨组织的再生，同时应赋予其与自然骨相似的结构和功能特性，即形状/性能适应性。形状主要指骨支架必须具有个性化的形状和内部相互连通的多孔结构，而性能则主要指诸如骨形成等基本功能以及抗菌等附加功能。本文首先介绍了不同3D打印技术如何赋予骨支架“形状”特性，强调了基于现有原材料如聚合物、金属或陶瓷选择适当的打印技术的重要性。考虑到自然骨是一个由有机和无机材料交织而成的复杂系统，引入了生物陶瓷/生物聚合物复合骨支架，并讨论了其面临的主要挑战，即界面结合和降解调控。随后，介绍了骨支架抗菌功能化的策略，重点强调了不同方法在生物相容性和可控响应方面的特点。接着讨论了4D打印技术在骨支架中的应用，并简要分析了不同刺激方法的安全性及其他特性。最后，提供了骨支架研究需求的展望，以拓展其在骨缺损修复中的应用。

在介绍人工骨移植之前，有必要了解骨组织的自我修复能力。骨组织具备一定的自我修复能力，但当骨骼出现大规模缺损时，这种能力往往不足以完成自我修复，因此需要医疗干预来协助骨组织在缺损部位的重建。传统治疗方法存在一些难以克服的缺陷，例如自体骨移植的供体来源有限，而异体骨移植则可能带来较大的创伤和免疫排斥反应。人工骨移植技术则克服了这些限制，能够根据骨缺损的具体情况制备出与自然骨相似的人工骨支架，并具备精确的三维结构，从而为骨缺损的修复和治疗开辟了新的有效途径。骨支架的作用是为骨组织再生提供一个临时的微环境，是人工骨移植的核心要素。为了提高人工骨移植的恢复效果，骨支架需要具备与人体自身骨组织相似的结构和功能特性，即形状和性能的适应性。

关于形状，其主要指的是骨支架必须具有个性化的形状和内部相互连通的多孔结构。骨支架需要尽可能恢复缺损部位的骨组织形状，这种形状因患者的具体情况和缺损部位而异。此外，骨支架作为骨修复过程中成骨细胞的代谢场所，需要具有适当的孔隙率和孔径，以促进营养物质的运输和代谢产物的排出，并支持血管的进入和新骨的形成。3D打印技术具有高控制精度、高灵活性和快速成型的优势，能够实现骨支架在微米和宏观尺度上的结构和成分的空间控制。目前，许多研究已经探讨了不同骨支架结构对其性能的影响。然而，大多数研究面临一个共同的问题，即如何选择合适的加工方法以实现现有材料（如聚合物、金属或陶瓷）的加工。考虑到不同材料的物理和化学性质差异较大，不同3D打印技术的成型原理和技术难点也各不相同，因此有必要探索基于现有原材料选择合适的打印技术。

关于性能，骨支架需要从结构替代转变为创伤修复，发挥促进骨修复和再生的作用。理想情况下，骨支架植入缺损部位后，会作为临时载体逐渐在体内降解。同时，细胞在支架上增殖并形成新的骨组织，最终完全替代支架以实现骨再生、修复和功能重建。这一过程的核心在于刺激细胞的增殖和定向分化，从而加速新骨组织的形成和生长。骨缺损修复通常包括血肿和急性炎症期、软骨痂形成期、硬骨痂形成期以及骨痂的重塑和成熟期，这需要多种细胞类型（如祖细胞、炎症细胞、内皮细胞、造血细胞、软骨细胞、成骨细胞、破骨细胞和成骨细胞）之间的协调互动。这些细胞的活动受到多种生化、物理和机械因素的调控，更详细的机制可以在这些综述文章中找到。

通常，骨支架需要具备基本功能和附加功能。其中，基本功能是实现与自然骨相似的功能，如促进骨形成等。通过模仿自然骨的有机/无机材料系统，使用生物陶瓷/生物聚合物是实现基本功能的有效手段。附加功能则针对骨移植过程中面临的临床问题，如赋予骨支架抗菌功能以避免细菌感染。通常情况下，人工骨支架本身并不具备抗菌功能，这使其成为细菌附着和生长的载体和微环境，从而导致骨缺损部位的术后感染问题。因此，有必要开发具有抗菌活性的人工骨支架。值得注意的是，新兴的4D打印技术也逐渐应用于骨支架的制备。与3D打印相比，4D打印在时间维度上进行了扩展，赋予原本静态的3D打印骨支架动态特性，预计能够促进骨支架与周围组织的整合。

本文首先介绍了用于加工聚合物、金属和陶瓷的3D打印技术及其相应的技术难点，以提供选择合适3D打印技术的参考。随后，简要介绍了在制备与自然骨材料系统相似的生物陶瓷/生物聚合物复合骨支架时遇到的两个主要挑战及解决方案。接着，围绕骨支架的抗菌功能化，强调了通过生物仿生酶和智能响应材料生成活性氧（ROS）以实现抗菌效果。最后，简要介绍了4D打印在骨支架中的应用，从不同的刺激方法出发，重点讨论了不同刺激方法的安全性及其他特性。

本文第二部分系统地回顾了用于加工生物聚合物、生物金属和生物陶瓷的常用3D打印技术。首先，简要介绍了骨支架常用的原材料，然后对相应的3D打印技术进行了介绍。接着，讨论了不同3D打印技术在制造过程中需要注意的关键参数。最后，通过比较案例分析，对这些技术在骨支架制备中的性能特征进行了详细评估。例如，FDM是一种广泛用于聚合物的热加工3D打印技术，通过喷嘴将熔融的聚合物丝线逐层沉积以构建三维物体。整个打印过程主要面临三个关键问题：由于加工温度选择不当或丝线直径或流变性不合规而导致的喷嘴堵塞，由于需要支撑结构而无法制造复杂结构，以及在加热（如高温灭菌）过程中由于显著的残余应力而导致的结构稳定性下降。通过预先分析所选生物聚合物的热性能和流变特性，调整加工温度、冷却速率和打印路径，并使用水溶性材料作为支撑结构，可以有效缓解或避免这些问题。总体而言，FDM适合用于制备低成本、结构简单的聚合物骨支架。例如，Wang等人通过FDM制备了不同羟基磷灰石（HA）含量的PLLA骨支架，以实现定制的机械和生物性能。

SLS是另一种广泛用于聚合物的热加工3D打印技术，通过高功率激光束选择性扫描聚合物粉末并逐层烧结/熔融以构建三维物体。整个打印过程主要面临两个问题：粉末铺展不均导致内部缺陷过多，以及激光能量过高或过低导致的烧结不完全或过度烧结，从而导致性能下降或无法形成骨支架。通过确保粉末的球形度、流动性以及粒径分布，分析所选生物聚合物的热性能，并优化激光参数如激光功率、扫描速度、扫描间距和扫描路径，这些问题可以得到有效缓解或避免。总体而言，SLS适合用于需要良好机械性能和复杂结构的承重骨支架。例如，Yan等人通过SLS制备了负载单原子铜纳米酶的PLLA复合骨支架，以实现有效的骨支架制备。

DIW是一种非热加工的3D打印技术，通过喷嘴将粘弹性墨水逐层沉积以构建三维物体，属于挤出式加工工艺。整个打印过程的主要挑战是由于原材料的流变特性不合适而导致的结构塌陷。因此，必须精确调整墨水的粘度，以增强其流变特性，并预先表征其粘度、屈服应力和弹性模量等流变特性。总体而言，DIW适合用于制备具有精细多孔结构但机械性能较差的骨支架。例如，Gu等人通过DIW制备了具有不同孔径（200、400和800 μm）的PLGA复合骨支架，以促进细胞生长和生物矿化沉积。

VP是另一种非热加工的3D打印技术，通过激光照射使光敏聚合物树脂逐层固化以构建三维物体。VP包括多种子类型，如DLP、SLA、TPP等。在打印过程中，光敏聚合物树脂通过激光照射逐层固化以构建三维物体。整个打印过程的主要挑战包括原材料透明度不足导致树脂固化或交联不足，以及由于激光密度过高导致的过度固化。这些问题可以通过限制填料含量以确保透明度，并调整激光能量和照射时间等参数来有效缓解或避免。此外，需要注意的是，具有良好生物相容性的光敏树脂类型非常有限，这限制了其在骨再生中的应用。总体而言，VP适合用于高精度、非承重的骨支架。例如，Li等人通过DLP制备了含有压电功能填料的基于丙烯酸化环氧大豆油的复合骨支架，以实现良好的骨再生效果。

在介绍完3D打印技术后，本文进一步探讨了生物陶瓷/生物聚合物复合骨支架的制备过程中面临的主要挑战，即界面结合和降解调控。生物陶瓷和生物聚合物属于无机和有机相，它们的物理化学性质差异较大，相容性差，导致在制造过程中难以形成强界面结合，从而削弱了骨支架的整体机械性能，成为阻碍临床转化的关键瓶颈。为了提高生物陶瓷和生物聚合物之间的界面结合，建立一个连接两者材料的界面相是一种高度有效的策略。通过这种策略制备的复合材料将具有由基质、填料和界面层组成的三维结构。界面层与基质和填料形成强结合，有助于提高界面强度。目前，偶联剂作为最常用的界面相，具有双功能分子结构，其中一部分对无机相有亲和力，另一部分对有机相有亲和力。因此，它们在无机-有机界面处充当“分子桥接”，有效地连接两种材料。Tham等人研究了偶联剂对HA和PMMA之间界面结合和机械性能的影响，发现偶联剂能够与HA表面的羟基反应，同时其长链烷基碳链能够与PMMA大分子链形成聚合物相容性和范德华缠绕，从而增强HA和PMMA之间的界面结合。

此外，生物陶瓷/生物聚合物复合骨支架的另一个关键挑战是实现长期生物活性与机械性能的动态平衡。在植入初期，骨支架必须提供足够的机械支持以维持缺损部位的形态稳定性并防止异常骨生长。然而，在后期，骨支架需要以适当的速率降解，以促进新骨形成所需的营养物质（如Ca2?和PO?3?）的供应。因此，精确调控降解特性，特别是对聚合物成分的降解速率，对于确保结构完整性并促进整个愈合过程中的骨形成至关重要。一方面，过慢的生物聚合物降解可能会阻碍嵌入生物陶瓷与体液之间的离子交换，从而影响生物活性。例如，PLLA是一种具有优良机械性能的可水解脂肪族聚酯，通常需要2-3年才能完全降解，因此需要开发加速其降解的策略以适应骨植入应用。另一方面，过快的生物聚合物降解可能会过早损害结构完整性，无法满足机械需求，或因降解产物积累而引发异物反应。因此，通过调控聚合物的降解速率，使骨支架的降解动力学与骨生成过程同步，是重要的。PGA具有良好的生物相容性和生物降解性，广泛应用于医疗设备和组织工程。然而，PGA的降解速率通常过快，导致骨支架的机械强度过早丧失。因此，有必要减缓PGA的降解速率以在早期阶段维持骨支架的机械强度。

本文还探讨了骨支架的抗菌功能化策略，包括添加具有抗菌特性的抗生素或金属离子（如Ag?、Cu2?、Zn2?）以杀灭细菌，添加过氧化物酶/过氧化氢酶类酶以生成ROS实现抗菌目的，以及添加智能材料通过光动力疗法生成ROS实现抗菌功能。这些方法具有以下特点：高效抗菌功能但生物相容性差，高效抗菌功能但反应不可控，以及高效抗菌功能且反应可控。例如，Xiong等人设计了溶菌酶-Ag-聚合物纳米复合材料，该材料利用Ag?的杀菌功能，表现出良好的抗菌效果。Ma等人将Cu2?与表没食子酸乙酯纳米颗粒螯合，能够通过Cu2?的作用去除大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）。然而，大多数金属离子如Ag?、Cu2?、Zn2?不仅具有抗菌特性，还具有一定的细胞毒性，这可能对骨缺损修复不利。因此，控制其缓慢释放至关重要，构建介孔载体是一种有效的方法，以避免抗菌离子的突然释放并实现可控和持续释放。Lu等人使用介孔二氧化硅纳米颗粒负载Ag，成功控制了Ag?的释放，实现了有效的和安全的抗菌效果。

此外，通过生物仿生酶实现抗菌功能也是一种常见方法。添加酶或酶样纳米颗粒到骨支架中，以通过芬顿或芬顿样反应生成ROS实现抗菌目的。这些添加剂通常具有良好的生物相容性，如Fe?O?纳米颗粒，这些纳米颗粒是典型的过氧化物酶样酶，具有良好的稳定性和生物相容性。此外，Fe元素是人体必需的营养物质，在DNA合成、红细胞生成和能量代谢等生命过程中起着显著重要的作用。Fe存在于Fe?O?中以Fe2?和Fe3?的形式存在，酸性细菌感染微环境可促进Fe2?/Fe3?直接分解H?O?生成强氧化性的羟基自由基（·OH），从而实现抗菌效果。Du等人设计了一种基于Fe掺杂芳香醛工程化多酚的芬顿样反应系统，利用Fe2?和Fe3?的芬顿反应生成·OH，同时光催化功能可促进芬顿反应的正向进展，从而实现优异的抗菌效果。

为了最大化芬顿反应的抗菌效果，学者们进行了大量研究。目前，代表性的策略主要包括增加反应物的浓度（如金属离子或H?O?的浓度），改变反应条件（如温度、pH和电刺激），以及开发纳米级芬顿催化剂。反应物的浓度在化学反应速率中起决定性作用。然而，细胞内源性H?O?水平不足以支持高效的芬顿反应，也无法生成足够的·OH。在此基础上，Huo等人设计了一种顺序催化反应以增强细胞内H?O?水平。Fe?O?纳米颗粒和葡萄糖氧化酶（GOD）被整合到树枝状多孔SiO?纳米颗粒中，其中GOD能够催化特定细胞中的葡萄糖生成大量H?O?。基于此，Fe?O?纳米颗粒将生成的高浓度H?O?转化为·OH，这种顺序催化反应机制可以促进高效生成高毒性·OH。此外，Li等人将Fe?O?纳米颗粒和H?O?封装在PLGA中，其中H?O?位于亲水性核心，Fe?O?纳米颗粒填充在外部壳层。在外部照射微超声诊断系统后，PLGA聚合物“解体”，释放并扩散外源性H?O?，从而导致聚合物负载Fe?O?诱导并有效促进芬顿反应。

反应条件的优化对于加速芬顿反应速率也至关重要，局部反应温度的升高可以提高·OH生成的效率。光热疗法（PTT）是一种光触发疗法，利用生物组织对近红外光（NIR，750-1700 nm）的低吸收和高透射特性，在NIR照射下，通过强光热转换效率的材料可产生局部热量，从而在NIR照射下实现光热效应。当诱导的光热效应使环境温度超过45°C时，可以直接导致细菌膜破裂和蛋白质变性，从而造成不可逆的损伤和杀菌。当环境温度达到39-44°C时，属于温和的超温，可以与其它策略结合进行治疗。基于Fe的光热纳米材料具有增强芬顿反应并促进抗菌治疗的潜力。此外，磁性Fe基纳米颗粒通过外部交变磁场吸收能量，也可增加局部温度，从而增强芬顿反应生成·OH的效率。

进一步地，基于芬顿反应的单一治疗策略有时难以达到预期效果，因此学者们也在探索通过集成其他方法实现芬顿反应的协同增强。例如，Huang等人设计了一种超顺磁性氧化铁系统，通过超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPION）和一种新型药物β-拉普醌（β-lap）的协同作用，提高了基于Fe的材料的芬顿反应效率。在该系统中，β-lap通过氧化还原循环持续释放H?O?，而SPION则通过在酸性环境中的生物降解释放Fe2?。SPION与β-lap的相互作用催化了H?O?的形成，从而生成高度氧化性的·OH。与单药治疗相比，基于芬顿反应的协同治疗显著提高了Fe基材料的芬顿反应效率。

在介绍完基于芬顿反应的抗菌策略后，本文还探讨了利用智能响应材料实现抗菌功能的策略。智能响应材料抗菌是一种新兴的抗菌策略，主要包括光催化抗菌、压电抗菌、热电抗菌等。这些材料的抗菌机制相似，其中光催化抗菌通常利用半导体材料在吸收光子后实现光生载流子的分离。例如，Wang等人发现，在光照射下，TiO?纳米材料的价带电子被激发到导带，并与H?O?反应生成ROS，从而破坏细菌细胞膜的结构。压电抗菌则是在机械应力（如压力和振动）下，压电材料通过压电效应产生表面电荷和电场，催化ROS的生成。Yang等人报告了在超声波作用下，异质结产生电场以驱动电子转移，同时将电子从细菌细胞膜转移，从而破坏细菌的电子传输。这种协同效应导致细菌的基因失调并引发代谢崩溃。热电抗菌通过塞贝克效应将温度差转化为电势差，从而实现抗菌效果。Wang等人开发了一种具有热电催化特性的锡硒化物/聚吡咯（SnSe/PPy）纳米复合材料，在微波照射下，SnSe/PPy能够将生成的温度差转化为电能，进一步促进钠物种的离子化，生成等离子体和电子，与O?反应生成O??，从而快速加热并有效消除金黄色葡萄球菌感染。

值得注意的是，对于光催化抗菌材料，大多数材料具有相对较宽的禁带，只能吸收紫外光和部分可见光，导致其穿透人体组织的能力较差。元素掺杂可以改变光催化材料的能带结构，使其在能带间隙的中间阶段进入，从而缩小能带并引起光吸收波长的红移，进一步扩大光响应范围。Lee等人通过溶胶-凝胶法合成了铜掺杂TiO?中空纳米结构，该结构在可见光条件下（波长为400 nm）表现出优异的光催化效果。尽管元素掺杂可以增加光催化材料的光响应范围，但激发光的波长仍处于可见光范围内，光穿透的改善仍然有限。近红外光已被证明是生物组织的光学透明窗口，更容易穿透如皮肤和脂肪等生物组织。因此，上转换发光材料作为具有反斯托克斯发光效应的材料，能够吸收近红外光并将其转化为可见光，已被广泛研究和应用。

在讨论完光催化抗菌材料后，本文进一步探讨了基于不同刺激方法的4D打印技术。4D打印被认为是3D打印的扩展，通过编程实现预定的结构或功能演变。与3D打印的静态结构相比，4D打印的特征在于其能够根据特定刺激实现预定的结构或功能演变。4D打印的制造技术与3D打印相似，但关键区别在于4D打印涉及对打印对象的编程。4D打印的骨支架可以在植入前被编程成微型的临时形状，并通过外部刺激（如热刺激、电刺激、光刺激或磁刺激）恢复其永久形状。这种技术不仅能够将微创手术与骨移植手术结合，还能在愈合过程中适应性地调整与周围骨组织的接触力，从而实现骨支架与周围骨组织的紧密接触。

然而，4D打印在骨支架中的应用仍然面临一些关键挑战。首先，光热填料在骨支架中的不均匀分散可能导致局部温度过高，这不仅会影响形状恢复过程，还可能对周围组织造成损害。此外，生物组织对光的散射和吸收限制了光学驱动骨支架在深层骨缺损中的应用潜力。其次，磁性驱动技术本质上是一种热驱动的变种，通常通过将磁性纳米填料引入聚合物基质中实现。在交变磁场的作用下，磁性纳米颗粒通过碰撞和摩擦产生热量，从而实现形状恢复。其中，Fe?O?纳米颗粒因其优异的磁性、高比表面积和良好的生物相容性，已成为理想的磁响应填料。因此，Fe?O?纳米颗粒可以被用作4D打印骨支架的磁响应填料。通过磁热效应产生的热量可以促进支架中储存的应变能释放，并触发形状记忆效应（SME），从而驱动骨支架恢复其原始形状。Zhao等人将Fe?O?添加到形状记忆PLA中，制备了一系列骨支架。Fe?O?的添加使支架具有对磁刺激的响应能力，使其在植入后能够恢复其原始形状并匹配缺损区域。此外，我们的先前研究发现，Fe?O?纳米颗粒的添加可以促进TPU在PLLA基质中的连续结构形成，从而改善形状记忆性能。

综上所述，由于生理环境的限制，4D打印在骨支架中的应用需要仔细选择刺激类型。然而，需要注意的是，4D打印的骨支架仍然面临一些挑战。其中一些挑战与3D打印的骨支架类似，如减少植入后的免疫反应（如炎症）和促进血管化。此外，4D打印的骨支架引入了一个新且常被忽视的问题。具体而言，大多数当前的4D打印骨植入物依赖于熵弹性原理，即在刺激后从低熵、高强的稳态转变为高熵、低强的亚稳态。如果刺激条件与生理环境相似，支架将保持在亚稳态，从而损害其结构稳定性。为了使支架恢复到稳态，刺激条件必须与生理环境不同。因此，确保所选刺激不会对周围组织或骨修复产生负面影响是至关重要的。这些因素需要在支架设计过程中予以考虑，而本文总结的刺激方法可能为相关研究提供有价值的指导。

在总结了骨支架的形状/性能适应性、3D打印技术及其在不同材料中的应用、生物陶瓷/生物聚合物复合骨支架的挑战、抗菌功能化的策略以及4D打印的动态骨支架之后，本文最后提出了结论和展望。骨支架的形状/性能适应性需求正在增加，因此需要明确其应具备的形状/性能以及如何实现这些特性。本文首先介绍了不同材料的特性及其对应的3D打印技术及其技术难点。随后，依次聚焦于骨支架的功能化，介绍了生物陶瓷/生物聚合物复合骨支架在制备过程中遇到的两个主要挑战及其解决方案。接着，讨论了通过生物仿生酶和智能响应材料实现骨支架抗菌功能化的策略。最后，探讨了4D打印动态骨支架的应用。结论是，骨支架正在从结构仿生向功能仿生和动态适应发展。这意味着未来的研究不仅会关注“打印什么”和“如何打印”，还会关注“如何使打印的支架在体内智能地发挥作用”，最终实现从静态替代到动态再生的转变。然而，仍然存在一些需要克服的挑战，包括骨支架降解与新骨再生之间的动态匹配、骨支架在不同阶段需要发挥不同的作用、实时监测和反馈对于骨支架智能化升级的重要性，以及临床转化的相关性。