作者：贵州医科大学附属医院骨科 黄豪
脊柱融合手术广泛应用于脊柱退变、肿瘤、创伤等疾病，旨在恢复脊柱的稳定性和正常承重功能，确保患者的康复和长期生活质量，通常需要通过植骨促进脊柱融合。因而，如何选取能够促进更快且稳固脊柱融合的骨移植修复材料，成为了脊柱外科研究领域关注的重点。现有的骨移植材料在某些方面存在局限性，如自体髂骨移植，其局限性在于患者供区并发症以及缺乏足够数量的材料；异体骨的处理过程相对繁琐，且需要进行高强度的灭菌导致其生物活性远低于自体骨。在寻求骨移植替代材料的过程中，必须综合考虑材料的可获取性、生物相容性、骨诱导活性、成骨性能等一系列因素，以及材料植入后的长期效应。
生物活性陶瓷材料
近年来，生物陶瓷材料由于其卓越的生物相容性、骨传导性以及与天然骨骼高度相似的特性，在骨修复领域得到了广泛的应用。这些材料因其优异的力学性能及高生物相容性，被认为是重要的骨移植替代物，从而为患者带来了更为理想的治疗方案选择。生物活性陶瓷，如羟基磷灰石（HAp）和磷酸钙（CP），因其化学组成与骨组织相近，在与周围组织产生化学交互作用的同时，刺激骨细胞增殖与骨组织再生。
HAp HAp的化学组成与人体骨骼的无机部分表现出高度相似性，其中超过70%的人体骨组织无机成分由HAp组成，HAp对骨骼组织有着高度的生物相容性和亲和性。除了高生物相容性外，HAp还具有骨诱导性能，不会触发免疫排斥反应，进而能够促进骨组织的生长与修复。鉴于纳米材料技术的迅速发展，产生了具有纳米尺寸的HAp，即纳米羟基磷灰石（nHAp）。相对于传统HAp，nHAp因其纳米尺度特性，展现出更高的表面活性和超微观结构，进而具有更强的吸收性和生物活性；此外，nHAp材料在强度、韧性和硬度方面均得到了显著提升。
CP CP以其优良的生物相容性、骨诱导能力和可降解性著称，其不同的内部原子排列结构形成了两种晶体形态-α型磷酸三钙（α-TCP）和β型磷酸三钙（β-TCP），其中β-TCP具有更优异的骨诱导性和可降解性，在生物活性材料的研究与应用中一般选择β-TCP。Ke等研究发现，采用3D打印技术制备的多孔TCP在临床骨植入物中使用，能够有效促进新生骨组织及血管生成，并加强了骨植入物与宿主组织间的机械固定效应。Chen等的研究发现，通过3D打印技术制作的SiCaP骨支架显著提升了骨髓间充质干细胞的粘附能力、增殖速率以及成骨分化的效率。
金属材料
金属材料面临的主要挑战在于其在体内生理环境下遭受腐蚀会导致材料性能的变化，因此，理想的金属材料必须具备卓越的生物相容性、安全性以及抗腐蚀性。随着3D打印技术的出现，现在可以生产具有可调节模量和类似于天然骨孔隙率的金属植入物，减少了应力屏蔽问题。在众多金属材料中，钛、钽、镁及其合金已在临床实践中显示出较高的成熟度。
钛 钛合金金属材料最大的缺点在于其弹性模量高于人骨，可能会引起应力遮挡效应，导致椎弓根螺钉松动以及加速相邻节段疾病的进展。采用3D打印技术制备的多孔钛合金椎间融合器，其结构特性更有利于细胞粘附、增殖与分化，从而促进新生骨组织的生成。目前，此类产品已在临床实践中逐步得到应用。王彦金等比较了采用3D打印多孔钛合金椎间融合器与聚醚醚酮（PEEK）椎间融合器进行后路腰椎椎间融合术的66例患者的手术过程及术后恢复情况，结果表明，3D打印多孔钛合金椎间融合器能有效降低椎体沉降、加速椎间融合。经临床实践证明，3D打印多孔钛合金椎间融合器的综合表现优于PEEK椎间融合器，预示着其有望成为脊柱融合手术中主流的骨移植替代物。
钽 与钛合金相比，3D打印制备的多孔钽椎间融合器在生物力学性能上与人体骨更相似。多项临床研究结果表明，多孔钽椎间融合器用于脊柱手术是安全有效的，具有多项优势。Segi等回顾性分析了使用3D多孔钽融合器和钛涂层PEEK融合器行后路腰椎椎体间融合术的103例患者，骨小梁重建的CT结果显示，使用3D多孔钽融合器椎体终板囊肿形成的发生率较低。Fernández-Fairen等对比了57例分别采用多孔钽椎间融合器与自体骨进行颈前路椎间盘融合术的病例，结果显示，使用多孔钽融合器的患者术后恢复状况良好，在融合率、椎体下沉率以及手术稳定性的指标上与使用自体骨融合的效果并无显著差异。虽然钽合金椎间融合器的成骨能力以及生物力学性能比钛合金椎间融合器好，但其成本较高，多孔钽目前难以在临床推广。预计伴随3D技术和相关设备的进步，多孔钽椎间融合器的应用前景将进一步拓宽。
镁 镁是一种较常使用的生物可降解的金属，作为一种具有良好生物相容性、生物降解性、成骨性的金属，镁及其合金植入物在骨科具有广阔的应用前景。镁的主要缺点是耐腐蚀性较差，过快的腐蚀速率会影响支架的机械稳定性，同时腐蚀过程中产生的氢气会影响正常的生理过程。Marew等使用3D打印技术，制备拓扑有序的多孔镁支架，该支架具有高孔隙率和分级孔结构，大大提高了成骨能力。镁作为人体内可降解材料，相信在未来发展中有着巨大的前景。
高分子材料
高分子材料可根据其是否经人工合成分为天然和合成两大类，这些材料通常具备良好的生物可降解性和生物相容性，它们是在组织工程和再生医学领域中最广泛使用的材料之一，可以根据患者的具体需求定制相关的医疗设备。
天然高分子材料 天然高分子材料主要包括
Ch是一种来源于自然的高分子材料，具有优良的生物相容性和在体内高度的安全性，常被用来增强复合材料的强度。Vasconcelos等在
人工合成高分子材料 人工合成高分子材料主要包括PEEK、聚己内酯（PCL）、聚乳酸羟基乙酸[PLGA]等，这些材料来源广泛，具备优良的生物相容性和生物降解性，可根据需求进行定制，从而优化其化学和生物力学性能。PEEK是一种热塑性高分子材料，具有耐热、耐腐蚀性能以及良好的生物相容性，其杨氏模量与人体骨骼相近，因此被广泛应用于骨组织工程领域。
PEEK和钛合金是当前临床上最常用的两种椎间融合器材料。然而，这两种材料均为生物惰性材料，不具备直接促进骨生长的能力；脊柱融合主要依赖于融合器内填充的自体骨。钛合金的弹性模量过高，可能会导致植入物下沉、加速相邻节段疾病等不良后果，而PEEK材料自身疏水性特性，植入后易导致延迟融合或者不融合的发生。3D打印技术的应用使得能够制造出由PEEK与其他材料复合而成的、具有成骨活性的多孔骨支架，从而提高了骨支架的骨传导性和骨再生能力。PCL主要用于印刷领域，由于其较低的熔融温度和在室温下的良好流变性能，PCL是3D打印的理想材料，此外，PCL无明显毒性，并展现出良好的生物相容性和生物降解性。鉴于PCL存在的机械性能较弱和较低分解温度的问题，当前研发的重点在于改善PCL复合材料。在Liu等开展的一项前瞻性临床研究中，他们研发了一种PCL与β-TCP按50∶50比例混合的新型3D打印生物可降解椎间融合器，并将其用于后路腰椎椎间融合手术中；经过12个月的随访，临床及放射学评估显示，3D打印的PCL/β-TCP生物可降解椎间融合器在PLIF手术中的应用取得了满意的效果。
PLGA是一种具有良好的可塑性、生物相容性和降解性的高分子材料，然而，它也存在机械性能较差、成骨性能差等缺点。因此，通过与其他材料复合以提高细胞亲和力已成为当前PLGA研究的一个重点。Liu等采用3D打印技术将PLGA与硫酸钙（calciumsulfate,CaSO4）进行复合，制备了三维多孔PLGA/CaSO4支架，实验结果表明，该支架具有良好的生物相容性，且加入CaSO4改善了PLGA支架的机械性能。目前，关于PLGA的研究尚未应用于临床，需进一步探索。
复合材料
复合材料是由两种或两种以上不同形态组成的材料结合而成，例如金属与生物陶瓷的组合，以及聚合生物材料与生物陶瓷的复合。鉴于单一材料存在局限性，复合生物材料因其能增强生物学特性及多样化的骨再生性能而展现出综合优势。因此，复合材料已成为3D打印领域内一个重要的研究焦点。
目前，由生物活性陶瓷制成的复合材料在骨组织工程领域得到了广泛应用。Newsom等开发了一种复合陶瓷材料，由锶（Sr）、锌黄长石（Ca2ZnSi2O7）和锌铝尖晶石（ZnAl2O4）组成，命名为Sr-HT-Gahnite。在该研究中，采用3D打印技术制备了Sr-HT-Gahnite椎间融合器，并将其置入接受颈椎前路椎间盘切除术的绵羊模型中。结果显示，该融合器具有良好的成骨性能，并且在绵羊体内未观察到显著的生化指标变化或远处器官出现肉眼可见或组织病理学上的异常，这表明Sr-HT-Gahnite椎间融合装置具有全身安全性。
此外，基于高分子材料的复合骨支架的研究正在兴起。Yun等制备了一种由骨源性脱细胞细胞外基质（bdECM）、β-TCP和3D打印的PCL支架组成的新型bdECM-β-TCP复合骨支架。在这项动物实验中，与纯PCL支架相比，bdECM-β-TCP支架在大鼠体内表现出更快的骨再生能力和更低的炎症反应。Xiao等开发了一种经过生物矿化和SF涂层处理的3DPCL纳米纤维支架。该支架具有平行排列的纳米纤维表面，模拟了天然骨组织中的纤维排列方式。体外研究表明，这种支架能够引导细胞排列，而径向排列的支架显示出了更强的促进细胞增殖的能力。体内实验结果表明，径向排列的支架能够引导组织排列和重塑，并支持更快的骨组织再生。这些新兴技术和新材料的结合为未来骨修复材料的发展开辟了新方向。
小结
本文介绍了几种具有独特特性的新型生物材料。其中，生物陶瓷由于脆性较大，通常需要与其他材料如金属或聚合物复合以提高机械强度；尽管金属具有较高的机械强度，但其生物相容性、体内腐蚀性和应力屏蔽等问题仍需进一步研究；高分子材料存在机械性能不足和有害降解产物等局限。如何将这些材料有效结合是一大挑战，这也持续推动着研究人员开发更优秀的复合材料。
当前，3D打印技术已在多个领域得到广泛应用，然而3D打印的产品通常是静态的，难以适应人体内动态变化的环境。近年来，4D打印技术的出现解决了这一问题。该技术基于3D打印技术，加入了时间维度的概念，使得4D打印的物品能在外界条件（如温度、湿度、光照或压力等）的作用下发生形态和性质的变化，它的功能也会随之变化，从而更好地适应体内环境的动态变化。这种动态变化能力源于使用了智能材料，例如形状记忆合金、液晶弹性体和水凝胶等。这些材料可以根据外界条件改变自身的物理性质，从而使得打印出来的物品在时间上的变化成为可能。然而，4D打印技术处于早期探索阶段，面临着各项挑战，相信未来这项技术将在医学领域中能够碰撞出更加光彩夺目的火花。
来源：中国矫形外科杂志2025年12月第33卷第23期
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