作者：大连医科大学附属第一医院骨科     李忠海

生物打印作为一项革命性前沿技术，在近些年备受人们关注。生物3D打印技术始于2003年Clemson大学的活细胞打印实验。2005年，清华大学和Drexel大学分别开发出微挤出式细胞打印技术，奠定了三维生物打印的技术基础。2009年推出首台商用生物打印机，2014年实现血管化肿瘤模型打印。近年来，沉浸式相分离打印工艺和低温生物打印技术，使生物3D打印从简单的细胞图案发展到复杂器官构建，在组织工程和再生医学领域展现出巨大潜力。目前，生物3D打印在生物医学领域的应用愈加广泛：在心脏组织工程中，实现心肌组织功能再造，从而恢复心脏功能、改善患者预后；在肾脏再生领域中有望通过制造人造器官(组织)来解决器官供体短缺的问题；同时在面部重建与修复领域，其能够精准复制面部复杂的微结构，恢复功能与美学，减少并发症。

对于临床中常见的骨缺损治疗，由于患者本身的生理和病理状况不同，骨缺损的治疗有着严重的个性化和差异化。生物3D打印可以针对患者的个性化和差异化的需求，快速、准确地制造人工植入支架、组织器官和医疗辅具等医学产品进行骨缺损修复。生物3D打印可以有效减少手术创伤大、治疗周期长、难度高、花费大、损伤部位无法直接愈合及并发症多的危害，能够突破传统骨移植技术面临的供体短缺、免疫排斥等局限，为治疗骨缺损带来了革命性前沿技术。在3D打印骨组织工程支架中，打印材料、打印方法和打印支架的结构都会对其性能产生影响。笔者通过归纳总结近年来生物3D打印支架在此领域的研究，以期为临床治疗提供参考。

生物打印材料

作为治疗骨缺损的生物打印材料，需要具备优良的生物性能，其中良好的生物相容性可以使骨替代材料整合到天然骨中从而增强组织修复的过程；良好的骨传导性可以使其作为成骨前体细胞和新生血管的支架来加速与宿主骨之间的骨整合；良好的骨诱导性可以促进某些因子和物质的释放以促进新骨形成；良好的骨整合性可以与天然骨之间形成骨键合，能够有效提高骨植入材料的修复效果。相较于自体和异体移植的生物材料，人工合成生物打印材料对机体无毒副作用和免疫排斥反应，是骨缺损治疗中有广阔前景的骨替代材料。

生物陶瓷：生物陶瓷材料有良好的生物性能，是一种良好的骨替代材料，主要分为磷酸盐和硅酸盐为代表的生物活性陶瓷及以氧化物和非氧化物为代表的生物惰性陶瓷。氧化物生物陶瓷材料具有良好的耐磨性和稳定的理化性质。氧化物生物陶瓷材料中以氧化锆和氧化铝最为常见，它们的机械强度高，在临床上常用于承重人工骨，如髋关节、膝关节和牙齿等部位，修复承重部位的骨缺损。比如将氧化锆、碳化硅和氧化铝复合制成人工髋关节，断裂韧度和表层硬度分别可达8MPa·m1/2和20GPa。在临床治疗时，根据患者的年龄可以提供不同孔隙率的设计，对于年轻患者常使用30%～40%孔隙率，而对于老年患者常使用40%～50%孔隙率。氧化铝陶瓷的力学特性在体内表现稳定，硬度可超过2000维氏单位，近年来激光蚀刻和热等静压技术工艺让氧化铝晶粒更细，密度、纯度、强度和硬度更高，氧化铝成为骨科人工髋关节的重要材料。由于氧化铝和组织之间缺乏化学键合，使其存在生物活性差和断裂韧性差的问题，目前可通过形成高度多孔结来改善氧化铝陶瓷的生物相容性和生物活性。在非承重骨缺损的修复中，磷酸盐生物陶瓷可以充分发挥其特性。磷酸盐生物陶瓷有良好的生物相容性、骨传导性和生物活性，在牙科植入，骨填充、骨移植等领域都有应用。羟基磷灰石(HAP)、β-磷酸三钙(β-TCP)、双相磷酸钙、磷酸八钙、磷酸氢钙、磷酸镁等是目前用于骨修复和骨替代的主要磷酸盐生物陶瓷材料，其钙磷摩尔比为1.50～1.67。对于需快速修复部位，可使用β-TCP与胶原结合，其降解时间<6个月，能够达到快速修复的目的。对于需要长期支撑的部分可以使用HAP复合支架，其降解速率较为缓慢，通过复合其它材料可以实现功能化需求。目前将HAP与聚乳酸、聚酰胺、聚乙烯等人工合成材料或与藻酸盐、丝素蛋白等天然材料复合可以改善其力学性能、生物性能并赋予其特殊性能。此外采用Stöber法将SiO2微球改性HAP晶须，SiO2/HAP晶须多孔陶瓷具有良好的生物活性、较高的孔隙率、三维复杂的孔结构、良好的轴向抗压强度、无细胞毒性，是一种很有前途的骨组织工程支架材料。

水凝胶：水凝胶是由水溶性高分子构成的材料，这些高分子引入了亲水和疏水基团，使其能够在水中膨胀并形成三维网络结构。水凝胶的这种特性使其成为生物3D打印中的理想支架材料，用于维持三维结构和模拟细胞外基质。水凝胶有细胞毒性低和生物相容性高的优点，但是黏度较低，机械强度较弱，打印性能较差。为了弥补这些不足，研究者们采用了新型水凝胶和混合配方策略。一种方法是对天然聚合物进行改性。将明胶改性为甲基丙烯酸酯明胶，通过紫外光交联形成水凝胶，弹性模量可达1～10MPa，满足高强度需求，在临床中用于承重骨修复。另一种策略是混合天然和合成聚合物，以充分利用各自的优点。使用甲基丙烯酸酯明胶/聚乙二醇二丙烯酸酯/海藻酸钠的混合配方，分别通过聚乙二醇和海藻酸钠调节机械性能和增加黏度，这种方法满足了材料的弹性需求，可用于软骨-骨界面修复；使用透明质酸交联可增加黏度，目前透明质酸广泛应用于美容和再生医学，并在生物3D打印中模拟细胞外基质，此外通过调节交联剂比例可以调节降解速率，与骨再生速度同步；其它常见的配方包括胶原/海藻酸钠、琼脂/聚乙二醇、海藻酸钠/聚丙烯酰胺、海藻酸钠/甲基纤维素等。最近，一种新型三维生物打印水凝胶显著恢复了骨关节炎关节的软骨再生。将免疫调节Exos与生物3D打印水凝胶相结合，具有调节软骨组织免疫和治疗骨关节炎的潜力。

生物打印方法

随着3D打印技术的逐渐成熟，3D打印技术在各种领域有着广泛应用。生物3D打印技术通过使用装载细胞的生物活性材料打印复杂组织结构，与传统支架制造-细胞接种方法相比，生物3D打印技术能够做到精细控制支架形状结构，并将细胞在打印过程中直接封装在支架内，实现对支架制造和细胞植入的精准控制。目前，在医疗领域应用的3D打印技术主要包括喷墨打印技术、立体光刻技术(SLA)、选择性激光烧结技术(SLS)等。

喷墨打印技术：喷墨生物打印的基本原理是生物墨水在喷嘴内部空间的压电驱动或数字化热驱动下，使墨水滴在打印机头中加热产生小气泡被喷射出来，以液滴的形式喷涂于打印平台后在Z轴方向多层打印，形成三维结构。而且液滴的大小可以随油墨黏度、电流脉冲频率和应用温度梯度的变化而变化。喷墨打印技术相较于SLA和SLS，打印速度最快，打印成本最低，但是打印精度较SLA和SLS略有不足。喷墨生物打印具有打印分辨率高，成本低的优点，并能做到按需沉积活细胞。它还可通过多个喷嘴打印不同材料，制造出复合材料的生物打印产品，且能保证细胞存活率达到80%～90%。喷墨生物打印在制造包含细胞的活组织结构领域应用广泛。目前有研究者设计了固定装置，采用喷墨打印策略并实施动态培养，成功融合多种方法，支持了接近天然水平的工程软骨发展，完成了带有支撑关节固定装置的仿生自组织软骨的生物打印，展示了其修复潜力。但是喷墨打印技术所用的生物墨水低黏度，打印的组织或器官的机械性能较弱。

SLA：SLA在1986年由美国工程师CharlesW.Hull首次提出。与喷墨打印技术和SLS相比，SLA打印的产品分辨率最高，而且能够快速打印具有内部结构的复杂性状，在临床中适合修复小尺寸非承重骨缺损。SLA结合动态投影技术在利用聚富马酸丙二醇酯(PPF)制造样品时，横向分辨率已经达到2μm、纵向分辨率达到1μm，可以制造具有复杂形态内部支架。Madrid-Sánchez等在SLA的基础上还开发出了光片SLA，可以制造具有微尺度特征的大型支架，即在大表面积与体积比的支架中制造微尺度孔隙，能够在短时间内打印支柱厚度高达(12.8±1.8)μm、可调孔径范围36～150μm以及面积高达21.4mm×20.6mm的支架，在骨组织工程学领域，尤其是颅骨和头部模型的打印中有着广泛的应用。此外，SLA所制造的可控内部结构支架更加利于细胞移植和培养。Shopperly等通过SLA打印混合和分层甲基丙烯酸酯透明质酸和甲基丙烯酸酯明胶生物墨水成功模拟关节软骨的基质梯度，可以调节软骨细胞的属性并改善再生治疗或体外模型软骨组织的建模。

SLS：SLS由美国德克萨斯大学工程师于1989年研制成功，其关键优势是不需要临时支持结构，能够直接制造金属植入物，而且由于烧结不会使粉末颗粒完全熔融，可以保留原始颗粒之间的孔隙，便于骨向内生长和再生，较喷墨打印技术和SLA有良好的生物性能及高断裂韧性和机械强度，但打印速度较慢，成本较高。SLS在临床中适用于大段承重骨修复，如股骨和脊柱；但是SLS有适用材料少，且需要后期处理，移除为固化粉末的缺点。SLS的常用材料有钛粉，不锈钢粉，镁粉，铝粉，聚己内酯和HAP，聚己内酯和β-磷酸钙，Ca-P/PHBV和聚乙烯醇等。其中一些金属元素有抑菌性并能促进骨生长。有研究人员使用SLS工艺制备的硼酸盐玻璃支架具有骨修复的潜力，并且添加骨形态发生蛋白(BMP-2)可显著改善骨再生，已成功完成大鼠颅骨缺损骨再生。目前，通过SLS技术制造的成品已被应用于颅颌面和关节缺损等骨组织修复。

生物打印支架结构

生物打印支架需要有理想的生物性能，这与支架的结构，支架的孔径、几何形状和孔隙率等密切相关。有研究表明支架孔的几何形状、直径及孔隙率直接影响细胞的行为。适宜的微孔结构和孔隙率的支架不仅有利于改善渗透性、提供合适空间及促进营养运输、废物排泄和细胞生长增殖分化，而且还确定支架的最终机械性质。开发出具有最佳微孔结构、孔径和空隙率的生物支架，可以达到最理想的制造效果，从而有助于实现生物3D打印组织器官，造福人类。支架需要具有足够的机械强度和合适的内部结构以实现结构支撑、细胞粘附、增殖及分化等关键功能。支架的设计必须具有多孔结构和合适的孔隙率以获得期望的机械功能和质量(水分、无机盐、营养物质和排泄物等)的流通。支架的孔隙几何形状和孔隙率对生物材料的机械性能、细胞生长及组织工程具有重要影响。

多项研究成果指出，通过改变支架的微孔几何形状和孔隙率可以增强细胞活力和增殖。较高的孔隙率和较大的孔径有助于营养和氧气输送或使更多的细胞向内生长，然而，过多的孔隙体积可能会削弱支架的机械性能。所以在支架设计和制造期间应考虑支架的微孔结构和孔隙率，使支架的机械性能和质量传输之间达到良好的平衡。有研究采用直接激光写入3D打印技术，将聚乳酸(PLA)基材料制造了4种不同类型的木垛形三维支架。孔径范围25～110μm，孔隙率70%、82%、86%和90%。实验中，将小鼠颅盖前成骨细胞接种于PLA支架上进行培养，结果发现70%孔隙率支架最初和长期不支持细胞生长。对于其它孔隙率，发现从接种后的第1h开始，细胞的粘附力很强，并在3周、8周后显著增殖。但最终研究发现，86%孔隙率支架表现出更好的性能效果。此外，有研究还开发了一种由脱细胞骨基质/明胶/透明质酸复合物(dGQH)组成的3D杂交支架，该支架以间充质干细胞为来源，富含微通道网络。这种支架能表现出相互连接的孔结构和适当的降解性(治疗8周后>61%)。在dGQH系列中，dGQH20混合支架显示出最高的孔隙率(83.93±7.38)%和力学性能[拉伸模量：(62.68±10.29)MPa；压缩模量：(16.22±3.61)MPa]。这种支架能够改善血管生成和成骨作用，并在保留颅面骨缺损方面具有很大的应用潜力。

生物打印的临床应用

自体骨移植、带血管尖骨移植、吻合血管骨移植和自体骨髓成分都是临床常用的材料，而特大骨缺损通常需要使用骨组织工程相关的生物材料来修复骨缺损和促进骨再生。生物3D打印技术在骨缺损治疗领域提供了个性化、精确的治疗方案，极大改善了传统治疗方法的局限性，减少了并发症。装载了无机成分，如多糖和生物陶瓷，以及各种生物活性蛋白、金属离子和干细胞的复合型生物打印支架的应用，为治疗由骨肿瘤和骨感染等引发的骨缺损提供了新的思路和解决方法，获得更好的治疗效果。

在骨肿瘤领域的应用：对于骨肿瘤患者，3D打印支架能够精确适配患者复杂的关节解剖结构，并根据个体化解剖特点设计肌腱止点，通过涂有特定的脱细胞细胞外基质的支架，改善肌腱到骨骼的愈合。此外，复合型生物打印支架还具有抑制肿瘤增长的能力，为骨肿瘤的治疗提供了新思路。针对恶性骨肉瘤切除后进行骨缺损重建的患者，Huang等用热液法制备了硒/钡/锌掺杂羟基磷灰石(SE/SR/ZN-HA)粉末，并将其与聚丙内酯(PPL)作为墨水，通过三维印刷构建复合支架，最后将其引入恶性骨肉瘤引起的骨缺损修复中。复合支架整合了抗肿瘤、成骨和抗菌电位等多种功能，体内的试验结果表明，该支架在植入3个月后可有效修复股骨缺损。为了预防肿瘤复发，Li等设计了具有预防肿瘤复发、抑制细菌感染、促进骨缺损修复等时序功能的多功能生物活性支架。过氧化镁/乳酸-共聚糖纳米复合支架采用低温三维打印技术制备，该支架可控制释放镁离子和活性氧物种的时间序列。MgO2和H2O2启动化学动力学治疗，诱导肿瘤细胞凋亡和铁细胞下垂，同时通过巨噬细胞M1极化激活抗肿瘤免疫微环境；Mg2+促进骨髓间充质干细胞的成骨分化，并通过M2极化巨噬细胞，创造促进骨免疫的微环境，从而加强骨修复。

上海市第一人民医院骨肿瘤科采用新型3D打印踝关节融合假体重建胫骨远端肿瘤性骨缺损(EnneckingⅡb期骨肉瘤)，为生物打印治疗骨肿瘤带来临床案例。在急性切除期，基于术前CT/MRI数据定制仿生多孔钛合金假体，其拓扑结构模拟松质骨力学特性并采用梯度孔隙设计优化骨整合，术中通过精准化切除(切除长度12～15cm)与髓内钉固定实现踝关节功能性融合(平均手术时间150min，出血量250ml)。术后恢复期采用阶梯式康复策略，包括早期制动保护、中期渐进负重及后期步态训练，末次随访(12～22个月)显示功能恢复优异(美国足踝外科协会评分86～95分，踝关节活动度15°～30°)，影像学证实假体稳定性良好(孔隙内新生骨形成率35%～48%)且无肿瘤复发转移。相较于传统移植技术，3D打印假体通过患者特异性设计同步实现根治性切除边界、仿生力学重建与生物整合促进三重目标，尤其适用于青少年肿瘤性大段骨缺损的治疗，其一体化解决方案涵盖从解剖重建到功能康复的全周期管理，短期疗效显著，但长期耐久性仍需扩大样本验证。北京大学人民医院骨与软组织肿瘤治疗中心临床治疗71例下肢恶性骨肿瘤患者(股骨43例，胫骨28例)，采用个性化3D打印假体实施精准重建。在肿瘤切除期广泛切除，在功能重建期植入具有解剖匹配和生物固定特性的3D打印假体。术后平均24.4个月随访显示：假体1年、3年、5年生存率分别达94.2%、86.1%和79.5%，其中股骨重建功能(24.63±4.97)分优于胫骨(23.29±5.09)分。并发症方面，仅11例出现假体失效(无菌性松动1例、机械并发症3例、感染1例、肿瘤进展6例)。

在骨感染领域的应用：在骨科领域，感染性骨缺损是一种难治性疾病，它伴随着骨感染和骨缺损以及严重循环障碍。在骨感染治疗中，充分的引流和清除坏死骨是控制感染、防止复发的常规手段；复合型3D打印支架可以解决骨缺损形态多样的问题，达到控制感染并提供关节稳定性的目的，是治疗骨感染的新途径。

在临床工作中，修复形状不规则的感染性骨缺损仍然具有挑战性。Nie等开发了一种通过3D打印技术实现的个性化MXene复合水凝胶支架[GTAM]，该支架具有光热抗菌和成骨能力，能够在近红外照射下有效杀灭细菌并促进骨再生。体内实验表明，GTAM支架能加速感染愈合和骨重建，可以有效治疗骨感染。Qiao等先通过3D打印制备了聚左旋乳酸[PLLA]/珍珠个性化支架，再载入利福平/莫西沙星-聚乳酸-羟基乙酸共聚物[，PLGA]微球制成PLLA/珍珠/重组矿化蛋白(RM-P)支架。体外研究显示其结构特征良好且具细胞相容性，能促进人骨髓间充质干细胞粘附、增殖和分化。Long等采用三维打印技术制备了一种PLGA支架，结合黑磷(BP)，研究了BP对局部骨免疫调节和成骨的影响。PLGA/BP支架具有良好的生物相容性、生物降解性和机械性能，是支持新骨形成的良好微环境。研究结果还表明，PLGA/BP支架能够诱导和刺激巨噬细胞M2极化，抑制炎症，促进骨髓间充质干细胞增殖分化，这反过来又促进了类固醇相关性骨坏死大鼠模型股骨远端缺损区的骨再生，为骨缺损修复的生物材料的开发提供了新的策略。

目前的临床案例为下肢骨髓炎致大段骨缺损患者(股骨11例，胫骨7例，缺损长度8.35cm)，采用个性化3D打印微孔钛(钽)假体实施阶梯式治疗。在急性感染控制期，通过彻底清创联合敏感抗生素治疗消除感染灶；在功能重建期，植入具有仿生微孔结构的3D打印钛(钽)假体，其多孔特性(孔隙率60%～80%，孔径400～600μm)既促进骨长入又维持力学稳定性。术后12个月随访显示：视觉模拟评分(VAS)由术前6.1分降至2.0分(P<0.05)，下肢功能从18.5分提升至54.0分(P<0.05)，Paley感染性骨缺损骨愈合评价标准优良率达94.4%(16例优，1例良)。1例术后感染改行骨搬运术，其余17例均实现假体-骨界面稳定整合。

在骨创伤领域的应用：在骨创伤领域，特别是高能量创伤导致的关节面骨块难以复位和固定的情况，常规的关节置换假体植入后的稳定性依赖于周围骨质及软组织的力学支撑。这导致在某些合并严重骨缺损的特殊病例中，常规假体无法应用。3D打印技术提供了一种解决方案，它能够设计个性化的支架，适应各种骨缺损并实现良好的生物学整合。这些复合型3D生物打印支架装载的因子有良好的骨诱导性，能够促进骨再生。针对颅骨缺损修复，Wang等设计了拟生物糖肽水凝胶包覆PCL/纳米羟基磷灰石(NHA)支架，通过巨噬细胞M2极化诱导的骨免疫调节促进颅骨再生。在大鼠临界尺寸颅骨骨缺损的修复中，该植入物在骨再生和骨整合方面显示出卓越的功效，在治疗后12周，整个缺损部位的平均骨面积达到83.3%。此外，具有骨免疫调节作用的GRgel诱导了一种与正常颅骨相似的修复微环境，其特征是抗炎M2巨噬细胞和成骨细胞的比例增加以及高度的血管化。这种具有巨噬细胞极化介导的骨免疫调节功能的复合支架通过在受损组织提供生化和骨诱导线索，可能代表一种有前途的植入物，可加速原位骨再生。Bai等提出了一种利用框架增强的三维生物矿化基质水凝胶促进软骨内骨耐受快速再生的新策略，并精心设计了低氧和骨电感微环境的三维仿生水凝胶，然后集成了3D打印聚内酯框架，提高了其机械强度和结构保真性。这种由天然成骨无机盐混合配方所形成的强生物矿化微环境，可以协同调节骨矿化和骨碎裂分化，从而加速后期骨成熟。体内异位成骨和原位头骨缺损修复成功验证了软骨内骨再生方式的高效和机械维护，为颅面骨缺损修复提供了有希望的治疗方法。

针对髋臼骨缺损修复，目前有8个由无菌性松动导致的机械性骨缺损临床治疗案例，在重建阶段，根据缺损类型采用个性化治疗方案，对无菌性松动导致的机械性骨缺损使用3D打印金属垫块进行重建。术后平均21.3个月随访显示，髋关节评分从术前32.18分显著提升至74.36分(P<0.05)，VAS由6.18分降至1.27分(P<0.05)，双下肢长度差由1.97cm改善至0.69cm。影像学评估证实所有病例髋关节旋转中心恢复良好[垂直高度(1.88±0.46)cm，水平位置(3.48±0.55)cm]，与健侧差异无统计学意义。术后并发症仅包括1例术中大转子骨折和4例轻度跛行，末次随访时无假体松动或感染复发。

针对膝关节巨大骨缺损修复，重建中3D打印多孔钽块展现出卓越的临床应用价值。目前有20例(21膝)膝关节骨缺损患者(包括5膝复杂初次置换和16膝翻修手术)的临床案例，采用混合式固定策略：对干骺端缺损>50%的17膝使用标准化多孔钽块，对严重空腔性缺损的4膝采用个性化定制钽块。术前通过CT三维重建精确评估缺损范围，术中根据缺损特点选择最佳重建方案。术后平均26.5个月随访显示：膝关节活动度从术前72.8°显著提升至113.2°(P<0.05)，VAS由6.6分降至2.5分(P<0.05)，美国膝关节协会评分(KSS)从52.8分改善至80.7分(P<0.05)。影像学证实所有病例假体位置良好，钽块与宿主骨整合满意，无感染、松动等并发症。

总结与展望

生物打印还在快速地发展与进步中，有着广阔的发展前景同时也面临着诸多挑战，尤其是在材料设计、生产周期和成本方面。首先，植入物的设计和生产周期较长，目前主要适用于需要长期治疗的疾病，这增加了患者的等待时间和住院费用。其次，生物打印产品的生产成本仍高，这限制了技术在临床实践中的普及，而且其成功应用依赖于一个协调的、多学科的团队，这对医工结合提出了更高的要求。同时，现有生产技术还处于发展初期，缺乏统一的参数设定和标准，需要进一步研究和探索。最后，目前的研究多为短期随访，缺乏长期临床证据。

未来的发展需要从技术创新和多学科融合两个维度协同推进：一方面要持续优化打印精度和生物墨水性能，开发具有时间动态响应特性的4D打印材料，并建立标准化的打印工艺体系；另一方面要积极融合人工智能、大数据和纳米技术等前沿领域，通过智能算法优化支架设计，利用数据建模预测材料性能并借助纳米技术增强生物活性，从而构建更智能化的生物打印系统，获得性能最佳的个性化骨修复材料。在临床应用层面，该技术将推动个性化医疗和精准治疗的发展，实现从静态修复到动态仿真的跨越。随着这些技术的突破和跨学科协作的深入，生物3D打印有望突破现有局限，不仅为骨缺损修复提供革命性解决方案，还将为整个组织工程领域开辟新的发展方向，最终实现从实验室研究到规模化临床应用的转化。

来源：中国骨与关节杂志2025年12月第14卷第12期

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