作者：大连大学附属中山医院骨科 段其达
感染、创伤及恶性肿瘤等因素导致的严重骨缺损是骨科临床治疗中的重大挑战，其治疗周期长、机体损伤大且修复效果欠佳。目前，自体骨移植虽被视为骨缺损治疗的“金标准”，但存在自体骨来源有限、感染风险高等问题。近年来，随着生物材料革新与组织工程技术的突破，特别是高精度3D打印技术的成熟，使得构建仿生天然骨解剖形态的个性化骨支架成为可能，这为大段骨缺损修复提供了新的解决方案。骨组织作为高度血管化的矿化组织，其发育与再生过程始终依赖血管-骨细胞间的动态交互。骨细胞需要充足的血液供应给予其营养支持，骨的生长依赖于血管和骨细胞之间的相互作用。在修复大段骨缺损过程中，支架表面的细胞需要依靠附近宿主的新血管提供营养和氧气生存。
然而，支架内部往往因缺乏血液供应导致细胞死亡，继而造成修复失败。针对这一难题，Huang等建议使用预血管化技术来增强植入物内的血管形成。预血管化是指在移植或植入之前，通过组织工程手段在组织或支架中建立一个功能性微血管网络的过程。目前人工骨支架血管化方法多种多样，包括动静脉环、动静脉束、动静脉流通植入支架内的方式以及在移植物周围插入血管束等，均可加快支架周围骨与血管长入。但要获得有效且安全的“血管化人工骨支架”，患者将等待较长时间。相比之下，将带血管蒂组织瓣移植于人工骨支架上，可大大加快宿主骨缺损部位的血流灌注，加强支架内的骨长入、促进骨缺损修复。近年来，3D打印技术在骨组织工程领域展现出独特优势。将带血管蒂组织瓣移植于3D打印人工骨支架上，不仅可以增强人工骨支架血管生成能力，还缩短了人工骨支架预血管化时间，使大段骨缺损成功修复成为可能。现总结3D打印人工骨支架结合带血管蒂组织瓣移植修复大段骨缺损的研究进展，为临床骨缺损治疗提供参考。
3D打印人工骨支架的材料
理想的3D打印人工骨支架材料应具备下列条件：具有三维立体多孔结构的高精度一次成型性和一定机械强度、良好生物相容性以及良好的材料-细胞界面。目前，临床广泛应用的3D打印人工骨支架材料主要包括高分子材料如聚乳酸（PLA）、聚已内酯（PCL）等，生物陶瓷如羟基磷灰石（HA）、β-磷酸三钙（β-TCP）等，以及金属材料如钛（Ti）、钽（Ta）等。
高分子材料 3D打印使用的高分子材料分为天然和合成高分子材料。合成高分子材料是在控制条件下生产的，因此具有可调节的机械性能、多孔结构、弹性模量和可降解性。然而，合成高分子降解过程中的产物会导致局部微环境酸化，引发无菌性炎症而延迟成骨。与之相比，天然高分子材料具有较高降解率、较低的机械性能、更好的细胞结合力及生物相容性、低刺激性、良好的吸水性和透气性。常用于制备3D打印人工骨支架的合成高分子材料为PLA和PCL。Kazemi等将PLA、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、镁橄榄石纳米颗粒（Mg2SiO4）作为基材，通过3D打印制作PLAPVP/10%Mg2SiO4支架，添加10%Mg2SiO4纳米颗粒后，增加了PLA-PVP支架的屈服强度和弹性模量，并增加了对MG63细胞的黏附和增殖，促进大鼠BMSCs成骨分化。常用于制备3D打印人工骨支架的天然高分子材料是脱钙骨基质（DBM）、多种蛋白质、壳聚糖等。
Hogan等将光活性甲基丙烯酸明胶纳米颗粒与大鼠胫骨和股骨的DBM结合，制备新型3D打印DBM纳米颗粒，经实验研究表明该新型DBM纳米颗粒具有很强的骨诱导特性，可以作为骨缺损修复中的细胞载体。但是，DBM的制造工艺有很大差异，完全脱钙会降低其机械强度，并失去对成骨至关重要的钙环境；而脱钙不足则会延长降解时间，从而影响骨长入作用。相比之下，合成高分子材料具有更加优异的机械性能和化学特性，包括出色的耐热性和耐腐蚀性，更适用于制备需长期力学支撑的3D打印人工骨支架。
生物陶瓷材料 3D打印生物陶瓷支架材料包括HA、β-TCP、生物活性玻璃和新一代硅基陶瓷类等材料。这些材料具有很强的骨亲和性，在表面降解过程中会产生微碱性环境，从而促进成骨细胞黏附、增殖和成骨。Vallet-Regí等将新一代多孔二氧化硅生物陶瓷材料用于制备3D打印人工骨支架，将骨诱导剂（肽、激素和生长因子）负载于支架上，利用这些生物分子信号吸引募集骨细胞，从而促进骨修复和血管生成。Wang等利用3D打印技术制备了PLA与不同β-TCP含量材料的PLA/β-TCP复合人工骨支架，并分别进行了体外实验和动物实验。扫描电镜结果表明，当β-TCP含量为10%时，支架抗压强度达峰值52.1MPa，较纯PLA支架提升约2.3倍。生物学评价结果示，PLA/10%β-TCP支架上的细胞存活率>95%，其显著促进MC3T3-E1成骨细胞的增殖，并诱导矿化结节形成。该研究证实，3D打印PLA/β-TCP复合材料人工骨支架，可协同提升支架的力学性能和骨诱导活性。生物活性玻璃是一种含有钙和磷的硅酸盐基材料，其表面富含高反应硅羟基（Si-OH）基团，可在生理环境中诱导无定型磷酸钙沉积并转化为类骨磷灰石层，这一特性显著增加了表面蛋白质吸附能力，并提高成骨细胞的附着率。在降解过程中，生物活性玻璃会释放出钠、钙、硅和磷等离子，从而促进骨生成和血管生成。
金属材料 金属材料具有优异的生物力学性能，并广泛用于制备承重骨的负重支撑支架。钛基材料、不锈钢（316L）和钴-铬-钼等金属材料结合3D打印技术制备的多孔结构，为细胞、组织、血管和神经的生长提供了空间，促进了骨长入。3D打印多孔钛植入物因其解剖适配性可降低人工骨支架松动风险，在颅骨对称性重建、足踝畸形矫正的成功率达86.7%。相比于钛金属，钽金属具有更加优良的组织相容性，弹性模量更加接近骨组织，并且它还具有较强的骨整合性，比钛金属更适合用于骨缺损修复。3D打印的多孔钽支架作为脊柱椎体、胫骨和髋臼假体应用于临床，可取得良好疗效。可生物降解的镁、铁、锌等金属材料制备的3D打印人工骨支架，修复骨缺损也能获得良好疗效。Zhang等使用可生物降解的镁合金，通过3D打印技术制备了一种复杂的多孔牙科植入体，有限元分析表明，该多孔镁合金材料不会出现应力集中现象，并且该种植体的机械性能符合功能要求。锌作为一种降解速率介于铁和镁之间的金属，在骨植入物应用方面具有潜力，经3D打印后具有和骨小梁更相近的弹性模量，可最大限度减少应力屏蔽带来的消极影响。Xia等的研究通过3D打印技术制备具有金刚石结构的骨科用纯锌多孔支架，将支架植入兔股骨临界骨缺损模型中，体外浸提实验结果表明，高浓度锌离子的持续释放会显著抑制MC3T3-E1细胞的活力，这也提示了应通过表面改性或合金化等策略调控锌的降解速率，以平衡其促进骨整合的能力与细胞毒性，确保其安全性和临床可行性。
3D打印人工骨支架的性能
机械性能 3D打印人工骨支架的机械性能是评估其有效性和临床应用潜力的关键因素，不同材料的机械性能，如弹性模量、抗压强度、弯曲强度、刚性、疲劳性能等，各有特点。支架的弹性模量用于评估支架在负重下的抗变形能力，其设计需匹配缺损处骨组织的力学特性，以避免应力遮挡效应和力学支撑不足。Olszta等研究显示，致密骨的弹性模量为15～20GPa，而成熟骨小梁的弹性模量<1GPa，提示人工骨支架需根据骨缺损部位设计弹性模量范围，弹性模量过高将导致应力遮挡，抑制骨重塑，而过低则易发生塌陷。抗压强度是评估支架抵抗外部负荷能力的重要参数。Liu等研究报道，3D打印硼硅酸盐玻璃网状支架的抗压强度高达约10MPa，接近人体松质骨的抗压强度。支架刚度可影响成骨细胞在支架内的增殖、分化过程。Murphy等的研究中，将MSCs接种于刚度1.5kPa的胶原蛋白-糖胺聚糖支架上，结果显示Runx2因子高度表达，增强了细胞成骨分化能力；而将细胞接种于刚度0.5kPa的胶原蛋白-糖胺聚糖支架上，则增加了SOX9因子表达，诱导软骨形成。此外，疲劳性能也是衡量材料机械性能的重点，人工骨支架的疲劳失效是由于重复的应力小于支架极限抗压强度，因微裂纹产生与扩展导致的循序渐进性结构破坏。
多孔形态、孔隙率及孔径 3D打印人工骨支架的多孔结构设计需系统考量多孔形态、孔径与孔隙率的协同效应，以实现结构仿生功能适配的平衡。VanBael等采用3D打印技术制备了多孔钛合金（Ti6Al4V）人工骨支架，体外实验表明，六边形孔的多孔支架对细胞增殖促进作用最强，其次是矩形孔支架，而三角形孔支架细胞增殖最少。这些差异可能归因于六边形孔中角的数量较其他形状孔更多，与圆形更接近，更利于细胞生长。支架的孔径和孔隙率是调控氧气、营养物质传输及代谢废物排出的关键结构参数，对细胞的生长、迁移和增殖至关重要，也为细胞外基质的合成和新生血管生成提供了适宜场所。Wang等采用3D打印技术制备了具有不同孔径（300、400、500µm）的模仿骨小梁结构和规则结构的Ti6Al4V人工骨支架，并通过体外和体内实验评估了其骨整合性能。结果表明，模仿骨小梁结构支架在细胞增殖、骨分化能力方面均优于规则结构支架，其中孔径为400µm的模仿骨小梁结构支架表现出最佳骨整合潜力。孔隙率在一定范围内可以促进氧气和营养物质在支架内的流动。Wang等研究表明，与人体骨小梁孔隙率（70%～90%）相似的支架，可以明显增强成骨细胞活力和支架内骨长入情况。然而，高孔隙率会降低人工骨支架的机械强度，使支架的力学支撑降低。因此，在制备3D打印人工骨支架时应适当调整孔隙率，使支架不仅有较好的机械性能，还要确保相应支架孔隙率发挥更好的骨长入性能。
生物活性 支架材料必须具有足够的生物活性。材料的生物活性主要包括生物相容性、骨传导性、骨诱导性、可降解性。通过细胞黏附、增殖来促进其在支架表面和孔隙生长的能力被称为“骨传导性”。可以通过支架的多孔结构设计为细胞迁移、血管长入提供通道。同时，在支架表面进行化学改性，如生物材料涂层或活性基团引入，可以增强纤维连接蛋白等细胞外基质吸附，这些方式都可以增加支架的骨传导性。骨诱导性是指通过生物分子信号传导，刺激多能前体细胞分化为成骨细胞，来诱导成骨的能力。将生长因子通过共价偶联、微球包裹等方式整合至支架，激活相应的信号通路，诱导MSCs成骨分化的方式，使支架具有更优异的骨诱导性。支架材料的生物相容性包括促进细胞存活和保持细胞功能，同时避免诱导细胞凋亡或免疫反应。支架植入通常会引发炎症反应，从而导致免疫细胞募集，尤其是单核细胞。这些单核细胞可进一步分化为促炎的M1型或抗炎的M2型巨噬细胞。具有良好生物相容性的支架应能够促进单核细胞向抗炎性M2型巨噬细胞表型分化。因此，可以通过定制支架的免疫调节功能来增强支架的骨长入，不仅能够通过生物分子信号传导实现细胞间通讯，还对周围宿主组织表现出良好的生物相容性和无毒性。支架在体内应以良好的受控速率进行生物降解，并释放无细胞毒性的降解物。而在严重骨组织损伤情况下，植入物通常需要永久性地留存以提供长期支撑。因此，支架材料应根据缺损类型设计“降解-存留平衡”策略，针对非承重区的骨缺损，应选用降解速率与骨再生速率相近的可降解材料；而对于承重区大段骨缺损或需长期力学支撑的复杂病例，则应采用钛合金、多孔钽等惰性材料，并通过表面生物活性改性等方法协同促进骨整合，同时规避应力遮挡效应。
3D打印人工骨支架结合带血管蒂组织瓣移植修复大段骨缺损
大段骨缺损的修复是骨科领域的重大挑战，传统自体骨移植受限于骨量不足，而单纯人工骨支架因缺乏血管化机制易导致骨坏死。3D打印技术通过构建仿生多孔支架精准匹配缺损形态，而带血管蒂组织瓣移植则为支架提供即时血供与活性细胞来源，二者结合可实现“结构-功能”双重修复。目前，带血管蒂组织瓣主要包括筋膜瓣、肌瓣、网膜瓣、骨膜瓣和骨瓣，它们结合3D打印人工骨支架，为大段骨缺损修复提供了更为有效的方法。
筋膜瓣 筋膜瓣因其密集的血管网络和优良通透性，非常适用于组织工程骨中的血管化增强。Fan等在恒河猴双侧胫骨上制造大段骨缺损模型，采用带血管蒂的筋膜瓣包裹3D打印多孔β-TCP支架进行血管化，同时在支架上接种自体培养的BMSCs。与单纯支架对照组相比，通过骨愈合的组织学和影像学结果分析，带血管蒂的筋膜瓣包裹支架表现出更明显的骨修复区域血管化。王辉等研究了带血管蒂的筋膜瓣包裹3D打印多孔Ta金属支架修复兔桡骨大段骨缺损（1.5cm）的成骨效果。他们将富含毛细血管网的薄层带血管蒂筋膜瓣环形包裹于多孔Ta金属上（实验组），并将其植入兔桡骨缺损部位，同时设置单根空白多孔Ta作为对照组。通过术后当天及4、8、16周的影像学、组织学和生物力学检测，相对于对照组，实验组Ta-骨界面及Ta棒孔洞内可见新生骨组织长入并伴随大量小血管长入，多孔Ta周边也见薄层新生骨组织包绕。实验组最大载荷力和抗弯曲强度分别为（96.54±7.21）N、（91.26±1.76）MPa，均明显大于对照组。由此可见，实验组在早期即建立血管网络，显著提升氧气与营养输送，促进成骨细胞迁移与矿化基质沉积，加速骨痂成熟，更有利于骨缺损修复。
肌瓣 肌肉组织因其丰富的血供和作为MSCs“储库功能”的特性，在骨折愈合中发挥着重要作用。肌肉的微环境能够通过生长因子刺激来维持骨生成，对于由感染或创伤引起的大段骨缺损愈合至关重要。肌瓣常被用于人工骨支架的血管化过程中，其中背阔肌瓣结合人工骨支架应用较多。从骨组织重建角度看，与筋膜组织相比，肌肉组织能够为骨缺损提供更丰富的毛细血管网络。传统下颌骨大段缺损修复依赖自体骨移植（如髂骨、腓骨）方法，但面临供区并发症与形态匹配不足的双重困境。Warnke等将填充生长因子和自体骨髓的3D打印钛笼植入成年男性患者的背阔肌中，实现支架的血管化与骨前体细胞活化，并于7周后将血管化支架移植至患者下颌骨缺损处，患者下颌骨大段骨缺损的成功修复。Mehta等对39例GustiloⅢB型开放性胫骨骨折患者分别采用肌瓣和筋膜瓣进行修复，影像学资料显示，肌瓣治疗患者术后6个月内骨愈合进展明显快于筋膜瓣治疗患者。
网膜瓣 网膜因具有高度柔韧性和血管密集特性，被广泛用于人工骨支架预血管化；且其具有优异的抗感染能力，特别适用于治疗严重骨缺损引起的骨髓炎患者。与肌肉组织相比，网膜更薄、更有弹性，富含血管组织，且具有支持成骨分化的前体细胞。Wiltfang等采用3D打印个性化定制Ti笼支架，精准匹配患者下颌骨缺损形态，并将支架内部填充自体骨髓浓缩物、重组人BMP-2生长因子和骨矿物质块。将此复合人工骨支架包裹在带血管蒂网膜瓣内，并移植入患者下颌骨骨缺损处，植入后3个月组织学评估显示大部分移植物被骨状基质覆盖，患者生活质量得到显著改善。表明3D打印人工骨支架结合带血管蒂网膜瓣移植至骨缺损处后，更好地诱导了骨组织长入支架，并且有足够的血管供应和存活，保证骨组织再生稳态。Birkenfeld等通过带血管蒂网膜瓣包裹3D打印HA材料的人工骨支架，不仅确保了血管蒂与支架紧密接触，促进血管内皮细胞迁入，还能有效防止支架移位。并将重组人BMP-2生长因子负载到此复合人工骨支架内，植入兔下颌骨大段骨缺损模型中，在术后2、5、8、10周取出支架后行组织学和影像学分析，结果显示，HA支架在结合带血管蒂的网膜瓣后，实现了血管化人工骨支架的高效预制，支架内骨长入量和新生血管以及结缔组织明显生成。
骨膜瓣 骨膜是一种薄且具有丰富毛细血管网和神经分布的双层组织结构，包含外纤维层和内形成层，具有诱导骨修复的能力，能够促进同位骨和皮质骨的生长。骨膜在骨折愈合和大段骨缺损修复中起着至关重要的作用。带血管蒂骨膜瓣含有MSCs、骨基质和多种生长因子，能够显著促进新骨形成，这也是骨膜瓣成骨能力优于肌瓣的原因。Huang等通过使用带血管蒂骨膜瓣和股骨肌肉分别包裹DBM支架，进行支架预血管化，组织学检查结果显示，两组术后8、16周均诱导了DBM支架表面的骨组织形成；Micro-CT扫描、生物力学和组织形态学测量表明，带血管蒂骨膜瓣包裹支架组在骨量、骨形成速率、血管密度和生物力学特性方面均优于股骨肌肉包裹支架组，表明带血管蒂的骨膜瓣具有优异的骨诱导特性，加速支架内部骨长入和血管生成。Naujokat等用网膜瓣和骨膜瓣包裹装有BMP和骨髓抽吸物的3D打印支架，并将其植入猪体内，经组织学和影像学分析表明，8、16周时骨密度明显增加，但骨膜瓣成骨能力更强。该研究强调了血管化人工骨支架培养作为骨再生创新策略的潜力。Tatara等将由绵羊自体骨和合成陶瓷颗粒制成的人工骨支架植入绵羊肋骨骨膜上，待支架血管化后，再将其移植至下颌骨缺损处进行修复，组织学和影像学评估显示，支架成功在绵羊下颌骨缺损处产生了大量骨组织，修复了下颌骨缺损。尽管带血管蒂骨膜瓣结合人工骨支架在大段骨缺损修复中已展现出显著优势，但如何进一步整合3D打印技术以优化支架设计、精准适配解剖形态并增强功能性骨再生，仍是当前研究的关键挑战与创新方向。
骨瓣 3D打印技术不仅能够量身定制仿生支架，以精确修复骨缺损，还能将3D成像技术应用于术前或术中的导航系统，从而将带血管蒂骨瓣精确移植至骨缺损部位。在临床应用中，因带血管蒂骨瓣血供充足，不仅可避免仿生支架植入后可能导致的骨缺血坏死，还具有手术创伤小、出血少的优点。Cai等对28例股骨头坏死患者进行了对比研究，试验组使用3D打印导航技术结合带血管蒂髂骨瓣治疗，对照组患者未采用3D打印导航技术。结果表明，试验组采用3D打印导航技术可以更准确地定位坏死区域，缩短手术时间，减少术中出血量，结合带血管蒂髂骨瓣治疗可促进术后髋关节功能恢复，早期效果显著。该技术在临床骨缺损修复手术中展现良好应用前景。
小结与展望
3D打印人工骨支架结合带血管蒂组织瓣移植技术通过多元材料（高分子、陶瓷、金属）复合及仿生设计（多孔支架设计、活性物质负载），显著提升骨缺损修复效率；同时，显微外科技术日趋成熟，血管化组织瓣移植通过促进局部血供重建加速骨整合进程，其技术安全性与有效性已获临床验证。但当前临床应用中，该技术仍面临多重挑战：①在经济性方面，Ti合金、Ta金属等高成本材料和大幅推升的治疗费用，制约着此技术的普及；②在力学适配性上，支架弹性模量与天然骨存在差异，易引发支架的应力遮挡或力学失效；③显微技术操作层面上，显微外科依赖高精度手术要求，对术者经验及患者安全性提出双重考验。
未来优化方向聚焦三大核心路径：①开发低成本可降解材料，可降低材料费用并避免二次取出手术风险；②智能响应技术升级中，可通过温敏、光敏等智能响应支架结合4D打印动态形变特性，可实时响应骨重塑微环境变化，实现力学与生物信号动态适配；③技术更加精准化，依托人工智能术中导航系统与血管化生物打印技术，同步构建仿生血管网络，将显著提升骨修复精准度与功能恢复效率，推动技术向智能化、精准化迭代。最终实现骨缺损修复从“解剖修复”到“功能再生”的跨越，为全球每年超200万例大段骨缺损患者提供高效临床治疗方案。
来源：中国修复重建外科杂志2025年5月第39卷第5期
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