作者：牛德龙，滨州医学院口腔医学院；柳忠豪，滨州医学院附属烟台口腔医院·数字化口腔医学技术烟台市工程研究中心

骨缺损的现有治疗方法包括自体骨移植、同种或异种异体骨移植、人工骨材料移植等，其中自体骨移植是较理想的治疗方案，但其供体来源有限且易造成二次创伤等问题限制了临床应用。近年来，组织工程支架为骨缺损修复提供了新的选择，有望成为自体骨移植的替代方案。

组织工程支架材料的设计是决定其性能的关键，然而以往的单一支架材料具有局限性，例如天然材料机械性能差，生物陶瓷材料往往脆性较大且降解速率不稳定等。为了克服单一材料的固有缺点，科学家们将两种或两种以上材料混合在一起形成复合支架。

复合支架不仅具有物理性能优异、生物相容性好等优点，而且可以结合表面修饰，细胞及药物负载等方式发挥成骨、抗炎、抗菌等生物学功能。本文回顾了近年来骨组织工程中各种功能性复合支架的研究进展，以期为后续的研究提供新的方向。

1. 具有促成骨功能的复合支架

骨修复程序启动后，骨髓腔中的骨髓间充质干细胞(bone marrow derived mesenchymal stemcells，BMSCs)持续募集到骨缺损处，经过一系列的复杂步骤，最终分化为骨再生的主要细胞——成骨细胞。具有促成骨功能的复合支架可以响应宿主的骨组织微环境，充当外部信号介质，协调各种信号通路和细胞因子促进成骨细胞的矿化成骨，加速骨缺损的愈合。赋予支架促成骨能力最常用的方法是在支架中添加具有成骨作用的各种活性物质。

Shaz等将聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolicacid)，PLGA]、纳米硫酸钙、岩藻依聚糖3种材料根据20∶40∶40 的比例制造出新型复合支架，将BMSCs接种于支架表面。结果表明，该复合支架通过上调Runt相关转录因子2(Runt-related transcription factor 2，RUNX2)、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、Ⅰ型胶原蛋白等成骨基因的表达促进干细胞的成骨向分化。

Ananth等制备了双向磷酸钙-二硫化钼-聚酰胺12复合支架，该支架中的二硫化钼增强了支架的机械性能，磷酸钙则可以释放具有骨亲和力的钙离子，促进成骨细胞钙沉积，证明该复合支架具有良好的促成骨性能。骨愈合过程是多种细胞因子通过一系列复杂的相互作用来完成骨再生的级联反应，负载各种成骨相关的生长因子是支架成骨功能化的重要途径。骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)家族与骨的发育、稳定以及各种骨相关的疾病联系密切。

首先，在新骨形成和调控成骨细胞分化方面，BMP可以诱导多种成骨相关转录因子的表达如Runx2、Dlx5(Distal-less homeobox 5)等;其次BMP信号通路与Wnt信号通路相互交联，上调多种成骨标志物的表达，促进成骨细胞分化。Wang等利用水凝胶将骨形态发生蛋白2(bone morphogenetic protein 2，BMP-2)与白细胞介素-4(interleukin 4，IL-4)混合制成复合支架，具有促进成骨的效果。

纳米材料也可以负载BMP，Liu等将BMP-2 嵌入牛血清蛋白纳米颗粒中，提高了BMP-2的释放效率。另外，基因工程是一种优化BMP负载的良好方法。Lin等利用慢病毒构建体将BMP-2基因转导到BMSCs中，再用3D 打印技术将细胞封装到水凝胶中制成促成骨支架，该支架在长达56 d的时间中大量释放BMP-2。总体而言，对于具有促成骨功能支架的研究是最广泛的，很多复合材料在促增殖、抗菌及抗炎的同时，也具有促进成骨的级联效应。虽然有部分材料在临床上已经被广泛使用例如BMP-2，但是关于促成骨复合支架的大多数研究仍然处于体外实验阶段，未来需要更多的临床前研究的证据支持。

2. 具有促血管形成功能的复合支架

骨是一种高度血管化的组织，血管不仅为骨组织提供营养物质和氧气，而且可以促进骨内钙沉积和调节细胞分化。骨修复与血管再生密切相关，快速稳定的血管化是决定支架材料植入后能否存活的关键因素。常用的支架血管功能化策略是将生长因子与支架相结合。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是应用于支架血管化最多的一种生长因子，负载VEGF的复合支架能有效地刺激新血管形成，为新骨形成提供代谢支持。

复合支架中细胞因子的运输和释放方式也很重要。最近，Chen等研究了一种负载BMP-2和VEGF的复合支架，该支架采用不同降解速率的纳米颗粒实现VEGF和BMP-2的有序释放，早期释放VEGF加速血管再生，持续释放BMP-2则促进新骨形成。与细胞因子复杂的运输模式相比，在支架中加入各种生物活性离子是一种更加经济简单的方法。各种生物活性离子参与了许多骨再生的过程，在调节局部免疫环境、加速早期血管形成以及促进成骨方面发挥着重要的作用。

Yang等将锶离子(Sr2+ )与铁离子(Fe3+ )添加到纳米羟基磷灰石-聚己内酯(polycaprolactone，PCL)复合支架中，体外和体内实验结果表明：该支架不仅具有优异的成血管性能，而且能促进成骨及调节局部免疫微环境。虽然负载生长因子和金属离子的促血管形成支架应用前景广阔，但依然存在很多不足之处。各种生长因子无法可控、精确且有序地释放，未来需要研究更加先进的运输和释放方式。

大多数金属离子的实验缺乏机制研究，且金属离子浓度过高会产生潜在的机体损害，未来需要增加机制的探索并确定金属离子促血管形成的最佳浓度。此外，3D打印技术的发展也促进了促血管形成支架的优化。3D 打印技术能精确控制支架各种参数如孔隙率、孔径、表面形态等，这将对支架的促血管再生功能具有重要的意义。

3. 具有免疫调节功能的复合支架

骨缺损修复过程涉及炎症反应、免疫激活、免疫应答等多个复杂的生物过程。免疫细胞与破骨细胞、成骨细胞、成纤维细胞等相互作用，形成复杂精细的调控网络影响着骨组织重塑。各种免疫细胞在骨再生与修复中发挥着不同的作用，其中巨噬细胞不仅吞噬死亡细胞和清除异物，而且分泌各种细胞因子直接或者间接促进骨修复。巨噬细胞可以根据周围微环境分化为M1或M2表型，研究表明M1表型分泌促炎因子促进炎症，而M2表型分泌抗炎因子促进愈合。支架材料对巨噬细胞的行为变化调节，是促进骨再生与修复过程的关键。

金属离子的加入可以有效地调节局部免疫微环境。由矿化胶原蛋白与聚乙交酯丙交酯[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]制造的复合支架已经被证明有利于早期细胞粘附与增殖，还可以促进骨与软骨的形成。将镁离子(Mg2+ )加入矿化胶原-PLGA 的复合支架中，赋予了支架良好的骨免疫调节性能;Mg2+ 不仅诱导抗炎环境，而且上调成骨基因BMP-2的表达，改善成骨。Miao等制备了含有Sr2+ 的复合支架，发现Sr2+ 可以诱导巨噬细胞由M1表型向M2表型极化，改善炎症微环境。未来的研究中，金属活性离子材料的开发将是支架骨免疫调节功能化的重要研究内容。

负载各种生物活性分子的骨免疫调节支架是另一个研究热点。γ-干扰素(interferon-γ，IFN-γ)由T细胞分泌，可以促进巨噬细胞向M1表型分化。陈晓峰教授团队制备了一种含有IFN-γ与Sr2+ 的复合支架，该支架可以快速扩散IFN-γ的同时缓慢释放Sr2+ ，研究表明该支架早期IFN-γ的扩散可以促进巨噬细胞M1表型分化，随后Sr2+ 的持续释放又促进了巨噬细胞向M2表型分化。

同样的原理，王永兰教授团队也开发了一种含有LL37肽和WP9QY肽的复合支架，这种支架可以顺序性释放活性物质，精细调节免疫进程。通过有序释放活性物质精确调节巨噬细胞分化进程是骨免疫方向研究的再次进步。除上述物质以外，其他活性物质例如BMP4、白细胞介素-4(interleukin 4，IL-4)等物质均已用于支架免疫调节功能化的研究中。目前的免疫调节功能化支架显示了其优异的性能，但目前我们对免疫系统与骨修复双向调节的具体复杂机制的认识依然比较局限。随着更重要的靶点及更深层的机制被阐明，骨免疫调节性支架的研究将会更为深入。

4. 具有抗菌功能的复合支架

口服抗生素是降低手术感染风险的常用手段，但全身给药易发生不良反应且会对非靶向组织产生损害。另一方面，骨表面生物膜阻碍了抗生素渗透，增加了细菌耐药性。支架抗菌功能化可降低术区感染风险，提高药物利用度并减少不良反应。将支架材料与抗生素相结合是最直接的抗菌策略。已报道有多种抗生素应用到骨组织工程支架中，例如阿霉素、米洛环素、万古霉素、庆大霉素等。

汤亚东教授团队研究了一种PCL-聚乙二醇(polyethyleneglycol，PEG)-罗红霉素(roxithromycin，ROX)复合支架，PEG 与ROX 改善了PCL的疏水性，同时赋予了支架抗菌功能。结果显示负载ROX的复合支架对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有良好的抗菌能力，有望降低术后的感染风险。另一种思路是向支架中加入一些抗菌活性材料，例如壳聚糖(chitosan，CS)、纤维素、石墨烯、金属离子等。

Radhakrishnan等将添加银纳米颗粒的支架放入细菌溶液中，发现细菌减少约90%，显示了该支架优异的抗菌能力。最近，4D打印技术也被应用于抗菌支架的研究，周延民教授团队将近红外光应用到复合支架中，这种带有光响应的复合支架不仅抗菌能力强，而且可以促进成骨。虽然各种支架抗菌策略已经被大量研究，但目前的各种抗菌支架仍然不够理想。抗生素的耐药性，抗菌材料的细胞毒性以及潜在不良反应等问题需要解决。

5. 具有促软骨形成功能的复合支架

相较于骨组织，软骨组织具有无血管及神经、代谢率低和力学性能特殊等特点，其功能修复重建更加困难。水凝胶材料结构与软骨细胞外基质相似，含水量高且生物相容性好;但其机械强度差，通常与其他材料形成复合支架增强力学性能。最近，Li等开发了一种由环糊精和胆酸制成的自修复水凝胶，该复合支架不仅遇到破坏或撕裂情况下可以自我重建，而且可以促进大鼠软骨的再生，具有良好的应用前景。

此外，也有学者利用羧甲基壳聚糖、氧化海藻酸钠和聚丙烯酰胺也制备了类似性能的复合支架。另一方面，负载各种生物活性物质或药物以促进软骨分化再生的复合支架早有研究，但大多数仅是简单的物理负载，生物利用度低且作用有限。近年来，很多研究报告了纳米材料在支架物质递送或药物缓释方面的重要作用。

例如，Shen等将纳米石墨烯应用于转化生长因子-β3(transforming growth factor-β，TGF-β3)的缓释系统中，该支架持续释放TGF-β3长达4周，显著上调软骨基因表达和增加软骨基质形成。虽然目前的复合支架在促软骨形成方面有一定进展，但在材料结构及性能、对植入微环境的反应等方面依然存在不足之处。未来的研究中，除了开发新型支架材料外，还应增加对一些如颞下颌关节等小关节软骨支架的研究。此外，随着骨关节炎(osteoarthritis，OA)的患者数量越来越多，应该更加重视支架承受或者调节OA 炎症环境方面的性能设计。

6. 总结与展望

与传统支架相比，各种功能性复合支架在加速新骨形成、创造良好的骨免疫微环境以及对抗骨移植术后的感染等方面具有显著优势。然而，大多数研究依然处于动物研究阶段，距离临床应用与成果转化仍然遥远，未来支架的研究改进有以下方向：(1)进一步优化支架的物理与化学性能：开发孔隙率、降解性能、机械性能等方面更加接近骨组织的支架材料。(2)局部微环境的稳定与调节：对支架植入后局部微环境变化的机制深入研究，更加精准高效地调节微环境，达到促进骨再生的效果。(3)生物活性物质的精确释放及控制：优化各种生物活性物质的负载方式以及释放的时间、顺序、速率等。(4)人工智能的应用：在人工智能与生物医学的深度融合的大背景下，未来人工智能有望在高效寻找支架材料，优化支架结构，预测支架性能等方面发挥重要作用。

来源：牛德龙，柳忠豪.功能性复合支架在骨组织工程中的研究进展[J].口腔医学研究，2025，41(05)：373-377.DOI：10.13701/j.cnki.kqyxyj.2025.05.003.