引言
骨缺损由衰老、疾病、癌症和创伤等多种因素引起，在全球范围内呈现显著上升趋势。与自体移植和异体移植相比，人造多孔组织工程支架在修复骨缺损方面具有独特且不可替代的优势，包括高生物相容性、可调节的降解速率、可控的力学性能、优异的骨整合性、骨传导性，以及在特定情况下的骨诱导性。因此，在过去几十年里，组织工程支架的研发蓬勃发展，并在骨组织再生领域取得了实质性进展。系统回顾骨组织工程（BTE）支架的设计、组成、制备、性能及临床应用至关重要。
骨的结构与特性
骨是一种层次化组织的结缔组织，为人体提供结构完整性和力学支撑，并保护重要器官。人骨包含无机和有机成分。有机相主要由I型胶原（Col I）纤维（占10–20 wt.%）以及少量其他有机成分（如脂质、蛋白质和多糖）构成。无机相则主要由骨矿物质组成，其化学组成近似于羟基磷灰石（HAp，化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，钙磷比为1.67）。骨矿物质还含有其他金属和非金属离子，如锶（Sr2+）、镁（Mg2+）、锌（Zn2+）、碳酸根（CO32−）等。根据形态特征，骨可分为长骨、短骨和扁骨。从结构上，天然骨可分为两类：松质骨（海绵状骨）和皮质骨（致密骨）。这两类骨在孔隙度和密度上差异显著，导致其力学和生理特性不同。皮质骨应变至失效范围为1–3%，而松质骨为5–7%。皮质骨的拉伸强度为50–151 MPa，压缩强度为130–230 MPa，杨氏模量为7–30 GPa，孔隙率为5–10%。松质骨的相应值则低得多，拉伸强度为1–10 MPa，压缩强度为2–12 MPa，杨氏模量为0.1–5 GPa，孔隙率高达50–90%。
除了有机和无机成分，五种类型的细胞在骨代谢中扮演关键角色：骨祖细胞、成骨细胞、破骨细胞、骨细胞和骨衬细胞。骨再生是生物耦合的一个典型例子，其中旧组织的精细降解直接促进了新组织的形成。这一复杂过程依赖于破骨细胞（负责骨吸收）和成骨细胞（负责骨形成）的同步相互作用。当破骨细胞粘附到受损骨骼并建立酸性微环境时，愈合过程便开始。它们分解矿物质成分，随后分泌强大的酶（其中组织蛋白酶K至关重要）来消化有机细胞外基质（ECM）。ECM不仅是惰性支架，更是生长因子的储存库。破骨细胞的破坏性活动有效地“解锁”了这个储存库，将如TGF-β和BMPs等信号分子释放到局部环境中。这些被释放的信号作为高度精确的招募信号，有效地将成骨细胞前体召唤到新清理的部位。在此处，成骨作用，即新骨的形成，开始进行。
骨缺损与常规医疗
创伤性损伤、与骨肿瘤相关的切除、先天性畸形、退行性疾病、衰老是导致骨缺损的常见原因。据统计，自2014年以来，西方国家每年进行的骨移植手术超过100万例。常规治疗骨缺损的方案主要集中于自体移植、同种异体移植和异种移植。自体移植因其卓越的骨传导性、骨诱导性和骨生成特性而被视为骨缺损再生的金标准。然而，自体移植在大型骨缺损重建中的应用受到可用性有限、供区并发症以及潜在副作用（如慢性伤口疼痛、感染和过敏）的限制。同种异体移植和异种移植作为替代方案，虽然供应问题较少，但宿主免疫排斥反应和潜在疾病传播的风险限制了它们在骨缺损修复中的广泛应用。因此，开发新颖的创新方法势在必行。
骨组织工程
组织工程已成为一门流行且有前景的交叉学科，在组织修复和再生方面具有巨大潜力。BTE致力于构建包含干细胞和生物分子的三维人工骨支架，以修复和再生临界尺寸骨缺损。由生物材料制成的BTE支架作为一个支撑平台，模拟天然骨的物理和机械功能及特性，为细胞粘附和矿化磷灰石沉积提供空间位点。植入后，干细胞通过自分泌或旁分泌途径分化为骨组织并促进骨重塑过程。生物分子，主要是生长因子，可以吸引和招募周围细胞，通过特定的细胞信号通路增强骨诱导性。在21世纪最初的二十年里，BTE的发展投入了巨大的努力。利用创新的设计和制造方法，科学家和研究人员开发了多种骨支架以促进骨缺损的重建和重塑。多种生物材料，包括金属合金、生物陶瓷、聚合物及其复合材料，已被证明能有效制造用于骨再生的3D多孔支架。特别是生物分子，如美国食品和药物管理局（FDA）批准的骨形态发生蛋白-2和-9（BMP-2和BMP-9），在治疗骨缺损和损伤中起着至关重要的作用。临床前和临床研究表明，BMP-2和BMP-9能以剂量依赖的方式显著增强骨重塑和再生。
BTE用生物材料
选择合适的生物材料对于BTE支架的成功至关重要。用于骨再生的生物材料选择关键受以下因素影响：1）生物相容性。材料必须具有生物相容性，以引发适当的宿主反应，并在植入后防止局部或全身性不良反应。2）生物降解性。材料应在体内外分解成生物相容性片段，降解产物应能安全排出体外。材料植入物的降解速率最好与组织生长/长入的速率相匹配。然而，生物降解性并非所有BTE生物材料的必备特性。3）骨传导性。指生物材料促进周围骨和血管细胞迁移到植入物内部结构的能力，从而支持新骨和血管的形成。4）骨诱导性。通常被认为是诱导间充质干细胞分化为成骨细胞和软骨细胞，导致新骨形成的能力。
生物聚合物
由于其优异的生物相容性和生物降解性，多种聚合物（天然聚合物和合成聚合物）在BTE应用中显示出巨大潜力。天然聚合物，主要来源于动物、植物和生物体，是由一种或多种功能性单体组成的生物大分子。蛋白质[如胶原蛋白（Col）、明胶（Gel）、丝素蛋白（SF）]和多糖[如海藻酸盐（Alg）、透明质酸（HA）、壳聚糖（CS）、纤维素]构成天然聚合物的两个主要类别。天然聚合物因其高生物相容性、生物降解性以及模拟ECM结构和功能以调节细胞行为的能力，被认为是骨组织再生的理想替代品。然而，其固有的局限性，如潜在的免疫原性反应、不可控的降解速率和不足的机械强度，限制了它们在BTE中的应用，特别是在承重骨缺损方面。与天然聚合物相比，合成聚合物的结构和性能可以根据专门要求进行调整。通常，合成聚合物比天然聚合物具有更高的机械强度和更慢的降解速率。合成聚合物的降解速率可以通过调整其化学组成、分子量和结晶度来系统控制。迄今为止，最广泛使用的合成聚合物是聚（ε-己内酯）（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）。它们大多已被FDA批准用于组织工程和药物递送应用。
生物陶瓷
生物陶瓷是陶瓷生物材料。根据它们与宿主组织的相互作用和体内的可降解性，生物陶瓷可分为生物惰性、生物活性和可生物降解陶瓷。生物惰性陶瓷，如氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）和碳材料，生物惰性，不引起宿主组织反应，但可能诱导异物反应，导致形成非粘附性胶原纤维囊将植入物与周围组织隔离。尽管界面反应差，生物惰性陶瓷具有生物相容性和高稳定性，因其适中的机械强度（足够的压缩和拉伸强度及抗弯曲性）仍是现代骨科中牙科植入物和多孔骨支架的可接受选择。生物活性陶瓷可分为非吸收性和可吸收性陶瓷。HAp和生物活性玻璃（BG）是两种典型的生物活性陶瓷，因其能够在表面形成一层类骨磷灰石层以促进界面行为，从而与宿主组织牢固结合而受到广泛关注。HAp具有与天然骨无机成分相似的化学组成，具有良好的机械强度、最小溶解度、优异的生物活性，并能改善细胞粘附、增殖和分化，常被用作骨科和牙科植入物。可生物降解陶瓷能够在生物环境或宿主组织中分解，使其成为BTE的首选生物材料。降解可以在块状支架中形成宏观和微观孔隙，有利于组织生长/长入。然而，过快的吸收速率可能会损害机械稳定性并提高钙浓度，导致pH变化和纤维组织形成。因此，控制降解速率以与组织生长同步同时保持机械完整性至关重要。磷酸三钙（TCP）和双相磷酸钙（BCP）因其高生物相容性、生物降解性、生物活性、优异的骨整合性、骨传导性和骨诱导性能而成为BTE中最广泛使用的可生物降解陶瓷。
植入性金属
由于其卓越的机械性能，金属生物材料在临床前和临床应用中取得了显著成功。金属植入物已被广泛用作骨移植材料，特别是在修复承重骨缺损方面。然而，金属支架的杨氏模量通常远高于天然骨，这增加了应力屏蔽的可能性。应力屏蔽可能导致骨组织吸收，并伴随骨密度降低。钛（Ti）及其合金因其优异的生物相容性和耐腐蚀性、低密度、高机械强度和断裂韧性而被定义为骨科重要的替代移植材料。Ti-6Al-4V是一种典型的钛合金，已被普遍用作人工关节、骨骼和脊柱固定器（骨螺钉、骨钉）。问题在于钛合金缺乏生物活性。镁（Mg）作为骨组织中的必需微量元素，是用于骨再生的新一代金属生物材料。除了优异的生物相容性和与皮质骨相当的适当机械强度外，镁基合金具有可生物降解的独特优势，从而消除了组织重建后二次手术取出植入物的需要。316L型不锈钢和钴铬基（Co-Cr基）合金是其他广泛用于骨科植入物的金属材料，因其良好的生物相容性和耐腐蚀性、优异的机械强度和低成本。但这些合金的高杨氏模量会引起应力屏蔽，导致骨吸收和无菌性松动。
生物医学复合材料
生物材料，包括聚合物、生物陶瓷和金属合金，各有其固有的优点和局限性。使用单一生物材料实现骨缺损治疗的最佳治疗效果是不切实际的。因此，开发生物医学复合材料以整合各种生物材料的优点，同时减轻其各自的缺点，从而设计出具有增强再生能力的骨植入物。聚合物杂化体是聚合物的混合物，整合了天然和合成聚合物。天然聚合物具有固有的生物相容性、生物降解性和生物活性线索，可以刺激细胞活动；然而，它们常常遭受机械强度不足和不可预测的降解速率的困扰。相比之下，合成聚合物通过改变化学组成、分子量和结晶度，提供卓越的机械性能和可调的降解速率。然而，合成聚合物通常表现出有限的生物活性和诱导细胞粘附和分化的能力差。其他复合材料，包括聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料，具有独特的物理化学和生物特性，可促进细胞粘附、迁移、生长、增殖和成骨分化，从而促进骨再生。
BTE支架的制备技术
骨支架的结构和功能有效性与所采用的制备方法内在相关。支架的制备技术可分为两大类：传统方法和先进方法。传统方法主要包括溶剂浇铸/粒子沥滤、气体发泡、热致相分离（TIPS）和冷冻干燥，而先进方法包括静电纺丝、3D打印和4D打印。溶剂浇铸/粒子沥滤法因其简单性以及通过调整致孔剂的量和尺寸来精确控制所得支架的孔径和孔隙率而具有吸引力。然而，其缺点也很明显，例如孔径和孔隙率不均匀、难以完全溶解致孔剂颗粒以及残留有毒溶剂。气体发泡法通过使用发泡剂制造多孔支架，但尽管能达到高孔隙率，孔的互联性仍然不理想，并且不可控的气体生成过程限制了对所得支架几何形状和形状的精确控制。TIPS法成本低、实验程序简单、易于加工且能生产高孔隙率支架，是目前流行的技术。局限性包括使用有机溶剂、溶剂升华耗时以及相对较小的孔径（10-100 µm）不适合成骨细胞和BMSCs的穿透和长入。冷冻干燥技术可以制造具有均匀孔径和形态的复杂3D支架几何形状，避免了上述问题，但其局限性主要包括高能耗、长处理时间和相对较小的孔径。
静电纺丝是一种通用且精确的制造微/纳米纤维支架的技术。在高压电场驱动下，带电的粘性聚合物溶液流被拉伸形成连续纤维。通过调整聚合物分子量和浓度、溶剂类型、溶液粘度、进料速率、施加电压和电场强度等参数，可以构建具有均匀纤维直径和孔径的电纺支架。目前，天然和合成聚合物及其与生物陶瓷或其他生物活性材料的复合材料被用于通过静电纺丝制造纤维支架，用于组织工程和再生医学应用。
3D打印是一种先进且强大的制造技术，在组织工程和再生医学领域取得了显著进展。与传统方法相比，3D打印技术因其在制造3D支架方面具有前所未有的潜力而备受关注，这源于其非凡的工程复杂和定制结构的能力，同时能精确控制支架参数，如孔径、形态和孔隙率。3D打印主要有三类：喷墨式、基于挤出的和基于激光的3D打印。基于挤出的3D打印是生物医学工程中构建支架最广泛使用的技术之一。其中，熔融沉积建模（FDM）在制造3D骨支架方面展现出潜在前景。许多聚合物、生物陶瓷及其复合支架通过FDM制造用于修复骨缺损。与喷墨和基于挤出的3D打印相比，基于激光的3D打印是无喷嘴的，因此避免了堵塞形成。就使用的特定激光源和制造方法而言，基于激光的3D打印技术可分为立体光刻（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、激光近净成形（LENS）、双光子聚合（2PP）、数字光处理（DLP）等。其中，SLA和SLS常用于制造骨再生支架。
3D生物打印是一种能够制造带细胞支架的技术，具有更高的精确度和可控性，从而能更好地复制生物相关组织或器官。传统3D打印技术倾向于制造无细胞支架，细胞必须在制造后接种和培养在支架表面。然而，无论是手动还是自动细胞接种方法都难以在3D支架内实现精确的空间控制细胞分布。因此，3D生物打印应运而生。生物墨水是显著影响生物打印成功的最重要方面。首先，由于直接与细胞接触，生物墨水材料必须具有生物相容性。此外，生物墨水应具有最佳的物理和生物特性。带细胞的生物墨水需要适当的粘度和可打印性，以确保3D打印支架的高结构完整性和保真度。
4D打印将“时间”维度整合到3D打印中，以创建智能3D支架。4D打印能够制造响应外部刺激（如热、pH、水、光、温度、电场和磁场）随时间改变其构型、功能或特性的3D结构。智能或智能材料，也称为刺激响应材料，对于4D打印的成功至关重要。4D生物打印建立在3D生物打印的基础上，加入了时间依赖性变化。在4D生物打印中，材料必须是智能的，能够响应刺激改变其构型和结构，同时保持高生物相容性和适当的粘度以支持封装细胞的生长和分化。
BTE支架的性能与表现
骨组织再生是一个复杂的过程，涉及一系列体内物理化学和生物反应。设计用于替换和修复骨缺损的BTE支架必须复制天然骨组织的功能和特性。支架的性能取决于所用生物材料的内在属性和所采用的制备技术。支架的组成在确保生物相容性和生物降解性方面起着关键作用。制备方法显著影响骨支架的结构特性，包括孔径和孔隙率、表面形态、粗糙度、刚性和层次结构。结构特性在决定骨支架的物理和生物性能（如机械性能和细胞反应）方面至关重要。例如，宏观和微观孔隙有助于氧气和营养物质运输到支架的更深区域，影响细胞粘附、迁移、浸润和长入，同时促进小血管的形成。因此，具有互连孔的多孔骨支架已被证明有利于骨重建。此外，孔隙率是调节支架机械性能的关键因素。界面反应对于引导初始细胞粘附和增殖至关重要，从而影响植入物-组织整合。因此，表面特性（如化学性质、粗糙度和刚度）可以调节矿物质沉积、蛋白质吸附和细胞活动，从而促进骨-植入物整合并加速新骨形成。因此，为了改善体外生物活性以及体内的骨整合、骨传导和骨诱导，骨支架的表面特性更可能被定制以引发所需的生物性能。
骨是一种高度血管化的组织，新血管的形成在骨缺损修复中起着关键作用。快速的血管化有利于血液供应，确保营养物质、氧气和代谢废物的有效运输，并促进细胞招募，所有这些都对促进骨再生至关重要。因此，骨支架应能在骨愈合早期加速新生血管形成。孔径和孔隙率对血管形成具有巨大意义。除了常规骨缺损，由感染和肿瘤引起的骨缺损是严重损害许多患者健康和安全的另外两个主要问题。迄今为止，越来越多的努力集中在开发新型骨支架用于治疗感染引起或肿瘤相关的骨缺损。
免疫细胞，特别是巨噬细胞，在炎症早期和组织修复中起着关键作用。巨噬细胞表现出具有不同功能的明显表型：M1巨噬细胞分泌促炎细胞因子以促进炎症反应，而M2巨噬细胞分泌促血管生成和促成骨细胞因子以促进骨重塑。先前的研究表明，由生物材料支架诱导的免疫微环境可以显著影响骨再生。因此，具有免疫反应调节作用的骨支架更可能有效地促进骨再生。
<h>临床应用
