综述：3D生物打印骨/软骨类器官：构建、应用与挑战

这篇综述系统阐述了3D生物打印（3D bioprinting）技术在骨/软骨类器官（bone/cartilage organoids）构建中的前沿进展，重点分析了其通过精确沉积细胞和生物活性材料实现复杂3D微结构模拟的独特优势，并探讨了标准化、血管化等关键挑战。文章总结了当前生物打印技术（如挤出式、光固化）、生物墨水（如GelMA/HAp复合体系）及种子细胞（iPSCs/MSCs）的应用，展望了其在疾病建模（如骨质疏松、骨关节炎）、药物筛选和再生医学中的转化潜力。

引言

随着人口老龄化的加剧，骨质疏松和骨关节炎等退行性骨关节疾病已成为全球健康挑战。传统2D细胞模型和动物实验难以模拟人类骨/软骨组织的复杂三维（3D）微环境，而类器官技术通过干细胞自组织形成的微型组织 analogs，为疾病研究和治疗提供了新思路。3D生物打印凭借其高精度、自动化和可定制化优势，成为构建高保真骨/软骨类器官的关键技术。

骨/软骨类器官构建策略

种子细胞：胚胎干细胞（ESCs）、诱导多能干细胞（iPSCs）和间充质干细胞（MSCs）是主要细胞来源。iPSCs通过重编程患者体细胞获得，可避免免疫排斥，但存在低效率（<5%）和致瘤风险。MSCs（如骨髓来源BMSCs）因其易获取和多向分化能力被广泛应用。

ECM模拟材料：天然水凝胶（如胶原、丝素蛋白）生物相容性佳但力学性能不足，常与合成材料（如PEG）或无机成分（如羟基磷灰石HAp）复合。脱细胞基质（dECM）保留组织特异性ECM成分，但存在批次差异。

发育调控：骨/软骨分化依赖BMP、TGF-β和Hippo/YAP等信号通路。例如，机械力通过激活Piezo1-Ca²⁺-CaMKII轴促进骨形成，而低硬度水凝胶更利于软骨分化。

3D生物打印的三大优势

1. 1.

   精准构建：通过计算机辅助设计（CAD）实现微米级结构控制，如模拟骨小梁或哈弗斯管。

2. 2.

   直接血管化：牺牲性墨水（如Pluronic F127）可打印可灌注血管网络，解决类器官核心坏死问题。

3. 3.

   高通量生产：微流控集成技术能在3分钟内打印384个肝类器官，显著提升标准化水平。

生物打印技术与材料

技术：

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  挤出式：适合高细胞密度（10⁷ cells/mL）但剪切力损伤细胞，TAZ/YAP通路激活或可促进成骨。

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  光固化（DLP）：分辨率达50 μm，但大尺寸打印耗时。体积生物打印（VBP）可在20秒内完成厘米级结构。

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  声波打印：非接触式固化，适合深部组织修复。

生物墨水：

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  天然类：GelMA/HAp复合墨水支持骨矿化；HAMA调控TGF-β/Smad通路促进软骨再生。

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  合成类：PEG-MA可通过光交联调控刚度，但需添加RGD肽增强细胞粘附。

应用突破

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  骨类器官：GelMA/AlgMA/HAp墨水打印的类器官在小鼠模型中形成成熟骨小梁，钙硅酸盐纳米线（CS）还激活ERK1/2-FOS通路促进神经化骨再生。

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  软骨类器官：磁性纳米颗粒（MNPs）增强的藻酸盐墨水修复兔关节缺损，ROS响应水凝胶则改善炎症环境下的软骨存活。

挑战与展望

血管化（打印分辨率不足）、系统整合（缺乏神经/免疫调控）和标准化（批次差异）是主要瓶颈。未来需开发智能生物墨水（如动态交联凝胶）并联合CRISPR-Cas9基因编辑优化iPSC分化效率。太空生物打印（如国际空间站肿瘤类器官模型）为微重力骨丢失研究提供了新范式。

结语

3D生物打印正推动骨/软骨类器官向临床转化迈进，尽管在稳定性和规模化上仍需突破，其作为“体外器官工厂”的潜力将重塑再生医学和个性化治疗格局。