2025生物打印技术的发展及其在骨组织工程中的应用

2025 生物打印技术的进展及其在骨组织工程中的应用（全文）摘要近几十年来，骨组织工程在治疗大块骨缺损方面取得较大的进展，其中生 物打印是最重要的技术之一。3D 生物打印通过分层添加不同的材料，实 现骨组织工程支架制造空间结构的精确控制，且以水凝胶类材料作为基础 将细胞植入支架中，解决了细胞在支架内的均匀分布。然而，大多数用于 3D 生物打印的生物医学材料均为静态，不能随着身体内部环境的动态变 化而改变°4D 生物打印是将时间概念与3D 生物打印相结合或者利用刺 激响应材料在各种刺激下改变其形状的原理，用于制造动态三维模式的生 物结构，为骨组织工程提供了前所未有的潜力。打印结构的形状记忆特性 满足了个性化骨缺损修复的需要，而功能成熟程序促进了干细胞的成骨分 化。通过总结近年来国内外生物打印用于组织工程的讨论，综述了常用的 3D 生物打印方法、3D 生物打印进展到 4D 生物打印技术中功能及形态转 化的机制，并且介绍了生物打印在骨组织工程中治疗骨缺损的应用以及当 前的挑战和未来的展望。车祸伤、运动损伤、退行性疾病等是导致骨与软骨缺损的主要原因［1］。虽 然骨具有一定的自我修复能力，但在大块骨缺损、骨坏死的情况下无法完 成骨再生，此时需要外部刺激或手术干预［2,3。目前，自体骨与软骨移植是修复骨与软骨缺损最常用的方法但由于取材限 制，无法大规模应用。骨组织工程通过结合生物活性分子、细胞和生物材 料构建仿生支架以恢复受损的骨与软骨组织［4］。传统支架的制备方法是从 整块的材料中去除部分材料以得到目标结构［5］，这种方法对支架几何形状 控制有限，无法实现对支架材料和孔隙结构的精确控制，不能根据缺损部 位进行个性化植入物制备［5L3D 生物打印主要是利用 3D 软件建立模型， 通过逐层添加材料形成最终形状，以准确的空间精度和自由度创建仿生组 织结构［6］，克服了传统骨组织工程中支架制造技术的局限性。但 3D 生物 打印有一个显著的局限性，即打印产物是静态和无生命的，不能随着周围 动态环境的变化而改变。自然组织再生涉及复杂的三维结构、微结构和细 胞外基质，组织再生后通过组织构象的动态变化使其具有独特的功能。动 态的功能构象变化大多是由响应材料内在或外部刺激引起，而这无法通过 3D 生物打印来模拟［7］。2025 年，Tibbits［8 首次展示了四维打印技术， 即打印对象能随着时间的推移而发生转变，该技术已应用于组织工程...