作者：袁露函，楚晨，青岛大学口腔医学院；袁荣涛，青岛市市立医院（康复大学青岛医院） 口腔医学中心

大面积颌骨缺损是口腔颌面外科最常见的疾病之一，常由创伤、感染、良性或恶性肿瘤切除以及先天性疾病引起。严重的颌骨缺损会对患者的咀嚼、发音和美观造成不同程度的影响，严重时可危及患者的心理健康甚至生命安全。目前治疗颌骨缺损的方法主要有自体骨移植、异体骨移植和牵张成骨。其中，自体骨移植是颌面部骨缺损修复的“金标准”，但是存在骨量不足、供区功能损伤等缺点，限制了其临床应用。异体骨移植和牵张成骨也存在其各自的缺点。

近年来，骨组织工程技术为颌骨缺损的修复提供了新的途径。骨组织工程是以成骨细胞、骨髓间充质干细胞等为种子细胞，经体外培养扩增后，种植于具有良好生物相容性、生物可降解性的骨组织工程支架上，骨组织工程支架承担细胞外基质作用，从而为骨再生提供良好的环境。

骨缺损修复依赖于由骨细胞、成骨细胞和破骨细胞组成的基本多细胞单位（BMUS），BMUS 作用于骨膜、骨小梁表面和骨皮质，促进成骨和骨修复。然而，BMUS 的黏附、增殖和分化需要一个合适的细胞微环境和细胞外基质，因此，如何模拟天然细胞外基质成为骨组织工程支架的关键。

骨的再生修复是一个复杂而精密的调节过程，其过程涉及许多分子、细胞、生物化学和机械因素。因此，需要合适的高活性骨替代材料制备成具有适当形状、孔径、孔隙率、可降解性、生物相容性、机械性能和所需细胞反应的多孔骨组织工程支架以诱导骨再生。3D 打印技术是一种先进的制造技术，可以调节三维物体的几何形状和内部结构，如孔径和孔隙率等。

近年来，随着科技的不断进步，这种制造技术已被广泛用于组织工程和再生医学中，用来设计支架或载有细胞的构建体，不仅简化了骨组织工程支架的设计流程，提高了骨组织工程支架的制造效率和精确度，同时还可以增强材料和细胞负载方面的控制性能。3D 打印也是一种通用技术，可以制造各种类型的材料，包括聚合物、陶瓷、金属和复合材料，使其具有定制的形状和致密或微观多孔结构。本文简要综述高活性骨替代材料在颌骨组织工程中应用的研究进展。

1. 生物陶瓷

生物陶瓷是一类在骨组织工程中具有重要作用的传统无机生物材料，主要指用作特定生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。生物陶瓷材料主要包括：磷酸三钙、羟基磷灰石、生物玻璃等，这类材料具有良好的生物相容性，与骨组织结合好，无排异反应。但是单一陶瓷材料各有缺点，如α-磷酸三钙的溶解度过大，植入人体后降解过快，降解和成骨不能很好匹配，导致人工骨材料植入试验失败。生物活性玻璃由于固有的脆性，导致多孔结构快速崩塌，影响新骨长入，进而影响骨再生。

既往观点认为，如果生物陶瓷能够与周围的骨组织形成直接结合，就被认为是生物活性的，反之，则是惰性的。Liao 等开发了不同铜镁比的生物活性玻璃，并对其进行3D 打印处理，结果显示，该材料促进了骨髓间充质干细胞的成骨分化和人脐静脉内皮细胞的血管生成功能，抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的定植，促进兔长骨节段性缺损区的骨再生。

然而，越来越多的研究表明，这些材料可以通过释放生物活性离子，产生所需的生物效应(如成骨或血管生成)。这种能力启发了各种用于骨组织工程的生物陶瓷材料的设计，即通过采用2 种或2 种以上原料成分，或对支架的内部微结构进行优化，或在表面做涂层处理，以强化支架的血管生成和成骨能力，获得理想的骨植入物。

Cao 等通过添加具有良好生物相容性且经美国食品药品监督管理局批准的聚乙二醇，以提高陶瓷浓度高达90wt%的3D 打印PCL/羟基磷灰石（HA）支架的延展性；同时，通过引入更高的HA 浓度，使HA 微粒更多地暴露在支柱表面上。通过体外和体内成骨功能评价得出： 该支架具有良好的生物相容性，可以促进成骨分化，并在体内增强基质的形成。

Yang 等对2 种不同孔径（300 μm 和500 μm）的骨再生应用的SiOC（N）多孔陶瓷支架进行了体外测试，结果表明，与大孔径组相比，小孔径组的ALP活性和成骨基因的表达均较高，显示材料的孔径对细胞行为存在一定的影响。Liu 等3D 打印复合生物陶瓷支架（β-TCP/CaSiO3），建立具有适当细胞和培养基比例的HUVECs/hBMSCs 共培养系统，用于体外和体内研究，以探索该系统在骨组织工程中的潜力，该共培养系统显示出可忽略的细胞毒性，并且成骨和血管生成标志物基因表达和蛋白质分泌均上调，表现出良好的促进成骨和血管生成的能力。

2. 聚合物

聚合物是另外一种重要的有生物活性并且可降解的生物材料，分为天然聚合物和合成聚合物，常用于骨组织工程的天然聚合物是胶原、纤维蛋白、透明质酸等。与天然聚合物相比，合成聚合物提供了更多的化学修饰和改变分子的可能性，便于根据特定的应用要求调整系统的性能。合成聚合物主要包括聚乳酸(PLA) 、聚乙醇酸(PGA) 和聚己内酯(PCL) ，在降解过程中会产生一些可通过自然生理途径去除的单体； 但聚合物支架在体内快速降解，产生局部酸性环境或导致水体生物短暂缺氧（生物高聚物），从而增加需氧量。

Im 等在PCL 溶液中通过原位还原合成银纳米颗粒（AgNps），进一步挤压成PCL/AgNps 丝，使用PCL/AgNps 细丝，通过3D 打印技术制造定制的3D结构。实验证实，该支架具有多孔结构、合适的机械强度，良好的生物相容性和抗菌性能，非常适合于骨组织工程。Wang 等通过3D 打印技术制备P4HB/Zn（D-Phe）2 和P4HB/CA 样品，并对其拉伸强度和生物性能进行检测，结果表明，该支架完全满足骨组织工程对支架力学性能的要求，具有良好的生物活性和生物相容性，是一种理想的生物支架材料。

Hassan 等使用PCL 和聚丙交酯-碳酸三甲烯酯（PLATMC）制备3D 打印支架，评估3D 打印模板的可打印性和包括润湿性、拉伸性能和降解特性在内的物理性能，使用人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）在体外评估骨传导性和细胞外基质分泌，并将模板植入兔皮下和颅骨缺损模型中。结果显示，与PCL 相比，PLATMC 表现出更大的润湿性、强度、降解性，并促进hBMSCs 成骨分化，具有优异的骨传导性，并在颅骨缺损模型中得到了证实。PCL 显示了远处成骨能力，而PLATMC 显示了更大面积的新骨和表面明显的接触成骨。

3. 水凝胶

水凝胶是一种具有良好三维结构和亲水性的材料，易于化学修饰，可进一步调整以获得不同降解性和机械性能的个性化水凝胶。水凝胶通过结合细胞、生长因子或药物，使其模拟人体骨组织细胞外基质的成分和状态，成为适合细胞渗透、黏附、生长、增殖、迁移和分化的支架，进而促进成骨。

水凝胶支架因其良好的亲水性、可调性、生物相容性、可降解性以及促进细胞黏附、增殖和分化的能力而被广泛用于骨组织工程研究。水凝胶材料的来源主要分为聚合物和改性聚合物复合物。前者是可以形成水凝胶的天然或人造聚合物，后者是通过在其基础上添加功能分子构建的聚合物复合物。

目前，用于生物打印的天然水凝胶主要包括明胶、藻酸盐、纤维蛋白、壳聚糖等。明胶是一种天然蛋白质，具有水溶性、生物相容性、生物降解性、可操作性、低成本和免疫原性，在骨组织工程领域具有巨大潜力。海藻酸盐作为最受欢迎的天然材料之一，具有低毒性、高可用性和低成本等优点。

与天然聚合物相比，人造聚合物水凝胶材料则在支持细胞和生物分子活性方面发挥着关键作用。其网络包括可重复的惰性单元，机械性能和免疫原性通常优于天然聚合物。然而，由于大多数聚合物水凝胶固有的溶胀/收缩和生物惰性，聚合物基水凝胶材料在生物打印过程中通常存在支架保真度低、机械强度不足和成骨诱导损失等问题。

研究者试图引入功能分子以提高水凝胶材料在骨组织工程中的性能。Zou 等使用纳米纤维素、琼脂糖和海藻酸钠的3 种多糖水凝胶复合材料，以种子细胞为生物墨水，聚乙烯醇（PVA）为牺牲材料，构建了不塌陷的结构。Hernandez 等开发了一种由3D 打印的PCL 填充水凝胶组成的混合系统，与体积和支柱厚度相似的3D 打印网格和蜂窝支架相比，PCL 的3D 打印陀螺状支架允许在支架内装载更大量的水凝胶。水凝胶是海藻酸盐、明胶和纳米羟基磷灰石的混合物，与人间充质干细胞（hMSC）渗透以增强系统的骨传导性和生物相容性。

hMSC 在PCL/水凝胶系统中的粘附和活力证实了其细胞相容性。模拟体液（SBF）中的生物矿化试验显示磷灰石晶体的成核和生长，证实PCL/水凝胶系统的生物活性。Rajabi 等研究开发了一系列基于壳寡糖（COS）-聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的光固化水凝胶墨水，用于骨组织支架的3D 打印，该支架在体外显示了对人骨髓间充质干细胞的高活力。此外，与对照组（PEGDA）相比，含有2wt%COS 的支架在模拟体液中显示出更高的碱性磷酸酶活性、钙沉积和生物活性。总之，3D 打印的COS-PEGDA 支架在骨组织再生领域具有巨大潜力。

4. 复合材料

复合材料是由2 种或多种截然不同的材料制成的，不同材料的复合应用可以综合各个组分的优点，最大限度地消除不良特性。鉴于骨组织的复合性和对骨组织工程材料的复杂要求，复合生物材料为克服该领域的重大挑战提供了有前途的解决方案，在3D 打印技术中得到广泛应用。

4.1 生物聚合物与无机填料的组合

在众多复合材料中，生物聚合物和无机填料的组合已被证明在骨组织工程中是成功的策略之一，特别是在使用3D 打印时。无机填料可以通过调节流变特性以支持软材料，增强机械性能，同时为新骨的沉积提供功能性矿化核；而将聚合物添加到无机填料颗粒中，可以增强构建体的可打印性。由于对细胞环境的适用性和兼容性，各种聚合物可用于在环境或相对温和的化学和环境条件下制造（无论多么复杂）构建体。

Gang 等选择来源广泛、价格低廉且具有潜在骨诱导活性的5 种天然生物矿物（蛋壳、珍珠、龟甲、脱胶鹿角和乌贼骨）作为功能颗粒，将其复合到L-聚乳酸（PLLA）生物材料中，通过3D 打印技术制备成支架，分别测试生物矿物粉末、油墨和支架的物理化学性质、生物相容性和成骨分化能力。细胞实验表明，5 种生物矿物复合支架均具有良好的生物相容性和促进骨再生的能力。

Cakmak 等使用PCL、明胶（GEL）、细菌纤维素（BC）和不同浓度的羟基磷灰石（HA），采用3D 打印方法制备一种新型的PCL/GEL/BC/HA 复合支架，对孔隙结构、力学、热学和化学性能进行评估。生成了用于骨组织工程的具有理想孔径（300 μm）的3D 支架，发现在PCL/GEL 支架中添加BC 和HA，可增加细胞增殖和附着。

Distler等通过熔融沉积建模（FDM）制造的聚乳酸（PLA）-生物活性玻璃（BG） 复合支架，使用前成骨细胞（MC3T3E1） 证明PLA-BG 细丝的可印刷性以及PLA-BG 支架的生物活性和细胞相容性。基因表达分析表明，FDM 支架中的BG 内含物对骨诱导具有有益影响。

Najafabadi 等以PCL/磁性介孔生物活性玻璃(MMBG)/氧化铝纳米线(Al2O3，最佳质量分数为5%)为原料，采用浸渍涂覆法制备壳聚糖(Cs)/多壁碳纳米管(MWCNTs) 复合的3D 打印支架（Cs/MWCNTs 涂层支架），证实其具有促进MG-63 细胞存活和增殖、增加碱性磷酸酶分泌和钙活性的能力，使该复合材料作为骨组织工程的候选材料成为可能。

4.2 水凝胶材料与纳米颗粒的组合

骨组织工程中的另一种策略是水凝胶材料与纳米颗粒填料的组合，通过加入纳米颗粒，使复合材料系统具有额外的功能。Im 等使用天然和生物相容性生物材料，即藻酸盐、节奏氧化纤维素纳米纤维（TOCNF）和聚多巴胺纳米颗粒（PDANP），配制各种纳米复合水凝胶基生物墨水。通过流变学研究和可打印性测试，筛选出适用于3D 打印的生物材料[在PDANP（0.5%）存在或不存在的情况下，含有1.5%藻酸盐和1.5%TOCNF]。

对3D 打印载有成骨细胞支架的体外研究表明，掺入0.5% PDANP 的生物墨水具有显著的成骨作用。总体而言，由藻酸盐、TOCNF 和PDANP 组成的生物墨水表现出优异的可打印性和生物活性（即成骨性能）。Petretta 等将磁性纳米氧化铁引入PCL 基质中，置于外部静态磁场下，发现该复合材料成骨细胞分化和骨生成能力增强。

5. 小结

现有的各种高活性骨替代材料在骨缺损修复方面各有优势，若侧重于机械应力，则多采用生物陶瓷材料和无机颗粒材料； 若将可降解性作为主要考虑因素，则采用羟基磷石灰和甲基丙烯酸甲酯等材料；若侧重于考虑组织替代，则可将干细胞采用3D 打印方式进行制备和修复，如软骨修复。

总之，一种可降解的具有良好的组织相容性和生物力学强度的生物材料，对于临床上修复骨缺损至关重要。尽管随着生物材料制备技术，特别是近年来3D 打印技术的不断革新，用于骨组织工程的生物活性材料研发取得了长足进步，但生物材料的研发和临床转化仍然任重道远，需要寻找一种理想的同时满足组织相容性好、机械应力高、孔径大小合适、溶解性好和成骨成血管效应好的高活性骨替代材料。

来源：袁露函,楚晨,袁荣涛.高活性骨替代材料在颌面部骨组织工程中的应用进展[J].中国口腔颌面外科杂志,2024,22(04):394-399.DOI:10.19438/j.cjoms.2024.04.013.

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