在骨組織損傷修復(fù)領(lǐng)域，如何構(gòu)建具備長(zhǎng)期力學(xué)穩(wěn)定性、促進(jìn)骨再生與血管生成的人工材料，一直是材料科學(xué)與臨床工程共同面對(duì)的重要難題。近年來(lái)，3D打印、多尺度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料、功能納米組分以及跨尺度力生物學(xué)的引入，使骨修復(fù)材料成為新材料方向中最具突破性的領(lǐng)域之一。

本文整合了近期兩項(xiàng)研究：（1）采用非可降解多尺度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支架并利用力生物學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；（2）構(gòu)建3D打印高分子/磁性納米復(fù)合材料并闡明其促進(jìn)成骨與成血管的細(xì)胞機(jī)制。二者從結(jié)構(gòu)優(yōu)化與材料-細(xì)胞調(diào)控兩個(gè)視角，概括了當(dāng)前骨再生材料的發(fā)展趨勢(shì)與共性科學(xué)基礎(chǔ)。

一、3D打印支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)優(yōu)化

1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料的力學(xué)基礎(chǔ)

人工骨支架的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)決定其承載能力、應(yīng)力分布以及細(xì)胞滲入效率。在非可降解人工骨的設(shè)計(jì)中，研究采用了經(jīng)典的三重周期最小曲面（TPMS）結(jié)構(gòu)，如gyroid與Schwarz P。其特點(diǎn)是：連續(xù)三維曲面保證整體強(qiáng)度；均勻曲率帶來(lái)穩(wěn)定應(yīng)力分布；空間互連利于細(xì)胞與營(yíng)養(yǎng)流體遷移。相關(guān)研究對(duì)單元尺寸、孔徑及體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，以兼顧可打印性、力學(xué)性能與粉末殘留清理效率。

2. 力生物學(xué)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該類人工骨最大的創(chuàng)新在于將力生物學(xué)（mechanobiology）納入材料設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元（FE）模擬，將應(yīng)力場(chǎng)映射到支架，預(yù)測(cè)：高應(yīng)力區(qū)；可能的裂紋傳播路徑；細(xì)胞易于浸潤(rùn)的位置。并據(jù)此反向優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，術(shù)后第6-10周內(nèi)，新骨優(yōu)先形成于FE模擬中的高應(yīng)力區(qū)域，隨后向支架內(nèi)部延伸。這表明力學(xué)環(huán)境不僅影響材料破壞模式，也決定骨形成的空間分布。

3. 非可降解框架+可降解核心的材料體系

為同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期力學(xué)支持與生物誘導(dǎo)性，研究設(shè)計(jì)了以下復(fù)合系統(tǒng)：外層：非可降解LS-PEK框架，提供跨段缺損的長(zhǎng)期機(jī)械穩(wěn)定性，避免金屬造成的應(yīng)力遮擋與影像偽影。內(nèi)部：β-TCP 陶瓷+ GelMA水凝膠+干細(xì)胞，可降解、可灌注、可提供局部鈣源，同時(shí)可通過(guò)UV完成交聯(lián)。這種多材料協(xié)同的結(jié)構(gòu)，使支架既具承載能力，又具備逐步誘導(dǎo)成骨的功能。

二、3D打印磁性復(fù)合材料的生物信號(hào)調(diào)控機(jī)制

相較于結(jié)構(gòu)優(yōu)化路線，另一類研究從材料功能性出發(fā)，通過(guò)在可降解高分子PLGA中引入 γ-Fe?O?超順磁納米粒子，構(gòu)建能主動(dòng)參與細(xì)胞信號(hào)調(diào)控的3D打印骨修復(fù)材料。

1. PLGA/γ-Fe?O? 功能復(fù)合體系

材料通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)：均勻孔隙結(jié)構(gòu)；  納米顆粒均勻分散；良好的生物相容性與可控降解性。γ-Fe?O?具備超順磁性，其作用不僅體現(xiàn)在物理層面，更能在細(xì)胞層面觸發(fā)信號(hào)通路。

2. 成骨機(jī)制：CRYAB-PI3K/AKT軸

蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)磁性支架促進(jìn)以下分子事件：CRYAB（αB-crystallin）顯著上調(diào)；CRYAB穩(wěn)定 β-catenin；激活PI3K/AKT通路；促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化。

3. 成血管機(jī)制：NF-κB、HIF-1α、VEGF信號(hào)軸

在血管內(nèi)皮細(xì)胞中，磁性材料誘導(dǎo)：NF-κB 核轉(zhuǎn)位增強(qiáng)；HIF-1α上調(diào)；VEGF表達(dá)增加，從而血管生成加速。骨和血管的協(xié)同生成，使再生區(qū)域獲得更充分的氧氣與營(yíng)養(yǎng)供給。

4. 多模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研究使用：micro-CT血管造影獲得三維微循環(huán)結(jié)構(gòu)；Goldner三色染色與免疫組化驗(yàn)證骨形成區(qū)域；蛋白質(zhì)組學(xué)解析關(guān)鍵分子差異。結(jié)果一致證明該復(fù)合材料可同時(shí)增強(qiáng)成骨與成血管能力。

三、總結(jié)

3D打印骨再生材料的設(shè)計(jì)正在從“可打印”邁向“結(jié)構(gòu)—力學(xué)—生物信號(hào)一體化”。本文中的兩項(xiàng)研究分別從結(jié)構(gòu)優(yōu)化與材料功能調(diào)控兩個(gè)維度展示：結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)型材料通過(guò)力生物學(xué)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)骨形成分布的預(yù)測(cè)與調(diào)控；功能驅(qū)動(dòng)型材料通過(guò)CRYAB、NF-κB、VEGF等通路實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞命運(yùn)的主動(dòng)控制；多材料協(xié)同、多尺度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)—信號(hào)耦合是當(dāng)前骨再生材料的共性趨勢(shì)。隨著建模、生物成像與蛋白組學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，未來(lái)骨修復(fù)材料將更具可設(shè)計(jì)性與機(jī)制可解釋性，為臨床大段骨缺損修復(fù)提供更加科學(xué)、可靠的材料基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

1. Clark JR, Al Maruf DSA, Tomaskovic-Crook E, et al. Mechanobiologically-optimized non-resorbable artificial bone for patient-matched scaffold-guided bone regeneration. Nat Commun. [2025-10-24]. doi:10.1038/s41467-025-64466-z.

2. Liu J, Liu F, Li C, et al. 3D-printed magnetic scaffolds promote bone and vessel regeneration through CRYAB/PI3K-AKT and NF-κB pathways identified by proteomics. Bioact Mater. [2025-10-23]. doi:10.1016/j.bioactmat.2025.10.013.