骨組織工程支架的研究進展

袁 景(綜述)，甄 平(審校)

(蘭州軍區(qū)總醫(yī)院全軍骨科中心，蘭州 730050)

?

骨組織工程支架的研究進展

袁 景(綜述)，甄 平※(審校)

(蘭州軍區(qū)總醫(yī)院全軍骨科中心，蘭州 730050)

骨組織工程支架最初用于骨組織的結(jié)構(gòu)性修復(fù)，現(xiàn)在負載生物活性物質(zhì)用于骨誘導(dǎo)和血管形成，促進骨組織生長、修復(fù)骨缺損，并呈遞生物活性物質(zhì)。骨組織工程支架負載生物分子或藥物等促進成骨和血管生成特性逐漸成為現(xiàn)在研究的熱點。在對骨組織工程支架的構(gòu)建方面，3D打印技術(shù)以設(shè)計方便，構(gòu)建不需要模具，可以輕易制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔隙均勻、幾何形態(tài)各異的骨組織工程支架，被業(yè)內(nèi)廣泛認可。

骨組織工程；支架材料；設(shè)計與制備

骨質(zhì)缺損是臨床常見創(chuàng)傷之一，以往采用骨移植方法治療。近年來人工合成生物材料被用來作為骨移植替代物。這些材料最初應(yīng)用是由于其良好的生物力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)性修復(fù)功能，后來構(gòu)建成立體三維結(jié)構(gòu)，具有生物活性、可吸收性，并能提高或刺激骨組織生長，稱為骨組織工程支架。骨組織工程支架現(xiàn)用于誘導(dǎo)骨形成和血管形成，具有多孔結(jié)構(gòu)，負載有生長因子、藥物、基因或干細胞等。三維支架植入體內(nèi)，變成骨組織，同時支架降解、吸收，達到修復(fù)骨缺損、重建骨組織的目的。為提高支架力學(xué)性能以及加快成骨速率，常引入其他物質(zhì)改善其性能，形成了多種由復(fù)合材料構(gòu)建的骨組織工程支架?，F(xiàn)就骨組織工程中常用的幾類支架材料進行綜述，研究其應(yīng)用和構(gòu)建方法。

1 當(dāng)今應(yīng)用較廣的骨組織工程支架

1.1 磷酸鈣生物陶瓷支架 人體骨骼的無機成分是磷酸鈣，故應(yīng)用最廣泛。在不同的磷酸鈣中，大部分研究集中在羥基磷灰石(hydroxyapatite， HA)，β-磷酸三鈣(β-tricalcium phosphate，β-TCP)或HA和β-TCP的雙相磷酸鈣的混合物，這些材料長期以來一直用來制造骨組織工程多孔支架。Teixeira等[1]用HA(80±3)%和β-TCP(20±3)%來制備雙相磷酸鈣支架，有70%互連的孔隙率(68%孔隙是400 μm，約3%為0.7 μm大小)，在免疫缺陷雄性小鼠骨缺損模型上成功完成了新骨形成。Woodard等[2]制作的HA支架同時含有宏觀孔隙和微觀孔隙的組合，通過觀察宏觀孔隙(250～350 μm)和微觀孔隙(2～8 μm)發(fā)現(xiàn)，同時含有兩種孔隙的支架新骨形成優(yōu)于僅含有宏觀孔隙的支架。Tarafder等[3]3D打印β-TCP支架燒結(jié)后，具有>60%的孔隙率，增加成骨細胞的活性，新骨形成加快，同時抗壓強度達到(10.95±1.28) MPa。最近的研究表明，磷酸鈣支架添加一些成分后，可以調(diào)節(jié)支架降解速率、致密程度、機械強度和生物相容性等[3-5]。0.5%的二氧化硅和0.25%的氧化鋅添加于β-TCP支架材料可使抗壓強度增加2.5倍、細胞存活率增加92%以上[3]。研究發(fā)現(xiàn)，這兩個添加劑中的鋅和硅可提高人Ⅰ型膠原基因表達和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶的分泌，正調(diào)節(jié)血管生成，成骨細胞增殖、分化和骨組織形成[6]。

1.2 生物玻璃可吸收支架 生物玻璃是佛羅里達大學(xué)亨奇于 1969 年發(fā)明，其主要成分有氧化鈉(約占45%)、氧化鈣(占25%)、二氧化硅(約占25%)和五氧化二磷(約占5%)[7]。若添加少量其他成分(如氧化鉀、氧化鎂、氟化鈣、氧化硼等)，則可得到一系列有實用價值的生物玻璃，添加這些成分會出現(xiàn)不同的生物學(xué)效應(yīng)。用這種生物玻璃來制造生物支架顯示出不少的優(yōu)越性能?？晌丈锊Ａ?5S5由許多不同成分組成，在體外試驗中，含70%孔隙率的多孔三維生物玻璃支架，孔徑300～400 μm，顯示在碳酸羥基磷灰石表面顯著提高成骨細胞活性；碳酸羥基磷灰石表面負載蛋白和生長因子，在體內(nèi)可促進新骨形成[8]。研究顯示，在介孔生物玻璃支架加入鈷，可以增加缺氧狀態(tài)下骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖、分化，分泌血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、轉(zhuǎn)錄因子(低氧誘導(dǎo)因子1α)的表達和骨相關(guān)基因表達[9]。

1.3 聚合物支架 聚合物必須同時具有生物活性和生物可降解性[10]。骨組織工程常用的天然聚合物為膠原、纖維蛋白、藻酸鹽、絲綢、透明質(zhì)酸和殼聚糖等。聚合物根據(jù)相對分子質(zhì)量大小，有調(diào)整化學(xué)結(jié)構(gòu)靈活的優(yōu)勢。合成聚合物(如聚乳酸、聚乙醇酸、和聚己內(nèi)酯)降解產(chǎn)生的單體，是機體內(nèi)生化反應(yīng)本來就有的物質(zhì)，由生理途徑很容易除去。某些聚合物，如聚富馬酸丙二醇酯顯示出高抗壓強度，與骨皮質(zhì)強度相當(dāng)，其降解時間可以被控制在很寬的范圍內(nèi)[11]。然而，聚合物支架體內(nèi)試驗顯示，即使初始強度很高，其強度退化速度也很快[12]。某些聚合物的降解(聚乳酸、聚乙醇酸)產(chǎn)物形成了一個局部酸性環(huán)境，可以引起組織反應(yīng)，不利于新骨形成。

1.4 復(fù)合材料支架 復(fù)合材料支架指那些由兩個或更多不同的材料所構(gòu)建的支架(如生物陶瓷和聚合物等)。一個磷酸鈣-聚合物復(fù)合材料支架結(jié)合了磷酸鈣和聚合物的優(yōu)點，滿足組織的機械和生理需要。聚合物可提高支架韌性和抗壓強度，磷酸鈣可提高支架的機械完整性和生物活性。Xue等[13]制作的復(fù)合支架，有孔隙相互連接的磷酸鈣支架，表面涂有聚乳酸，是兩種材料優(yōu)勢互補。Cao和Kuboyama[14]制作的聚乙醇酸 /β-TCP(1∶3重量比)的三維多孔復(fù)合支架，制備采用溶劑澆鑄和顆粒浸出法，制備的支架孔隙率(88.4±0.7)%，孔徑大小(483.3±113.6) μm，降解率(96.2±3.3)%，在SD雄性大鼠植入，降解時間為90 d。Laschke等[15]制作的HA/聚氨基甲酸酯復(fù)合支架，吸附牛血清白蛋白、牛血纖維蛋白原和胎牛血清支架，也是已知比較好的復(fù)合支架。微型計算機斷層掃描重建的研究表明，多孔HA/聚氨基甲酸酯支架，孔隙率(90±2)%，孔徑200 μm±，用傳統(tǒng)的鹽析/相轉(zhuǎn)化工藝制造；和對照組對比，雖然有在血管長入差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但支架的物理性能改善很大，甚至多孔雙相磷酸鈣支架的表面改性與HA /聚乳酸復(fù)合顯示增加了兩倍的抗壓強度；表面改性還增強初級人骨來源的細胞分化，成骨基因表達(Runx2)、Ⅰ型膠原、骨鈣素、骨唾液酸蛋白、堿性磷酸酶活性的大幅上調(diào)[16]。磷酸鈣/聚乳酸復(fù)合支架可能影響蛋白質(zhì)交互作用，顯示聚乳酸存在有助于負載物質(zhì)的釋放[13]。聚合物/生物玻璃復(fù)合支架，也應(yīng)用于骨組織工程支架。膠原蛋白與生物活性玻璃的納米復(fù)合材料，在磷酸緩沖液中浸泡3～21 d，堿性磷酸酶的表達增加，顯示早期骨化[17]。葉向陽等[18]構(gòu)建的多孔磷酸鈣骨水泥負載利福平緩釋微球，藥物長期釋放抗結(jié)核菌，支架修復(fù)骨缺損，可以用來修復(fù)結(jié)核性骨缺損。

1.5 金屬支架 金屬具有較高的力學(xué)強度和優(yōu)良的耐疲勞性。多孔金屬支架主要是由鈦和鉭構(gòu)建，已作為骨替代材料在臨床使用多年，并有很多研究成果[19-21]。孔隙率17%～58%的多孔鈦，孔徑平均為800 μm，允許成骨細胞的附著和增殖[22]。然而，與磷酸鈣或聚合物支架相比，生物分子不能被集成到金屬支架，而且支架不能生物降解；此外，還有金屬離子釋放的問題。表面改性技術(shù)通常采用提高鈦支架的生物活性。生物活性金屬的近期研究報告，骨科生物降解金屬支架，特別適用于承載應(yīng)用材料的替代品[23]。鎂作為骨組織支架材料在體內(nèi)生物相容性的研究還處于早期階段。Ambrose等[24]制造的金屬鉭多孔支架負載妥布霉素生物可吸收緩釋微球，植入兔橈骨缺損，閉合前用金黃色葡萄球菌污染植入物，和未被污染的做對照，研究證實，抗生素緩釋系統(tǒng)預(yù)防感染成功率達到100%，植入物骨結(jié)合顯著提高。

1.6 第三代支架

1.6.1 負載細胞和生長因子支架 磷酸鈣支架對新骨形成和礦化作用顯著，而骨誘導(dǎo)為第三代支架的典型特征。用不同的方法使磷酸鈣支架具有骨誘導(dǎo)能力，包括添加其他化學(xué)成分修改支架、負載骨髓間充質(zhì)干細胞和不同的生長因子(如轉(zhuǎn)化生長因子β)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白結(jié)合和VEGF。60%孔隙率的硅-磷酸鈣/HA比孔隙率80%的多孔隙HA支架材料表現(xiàn)出較好的骨誘導(dǎo)性，這兩種支架均同樣接種骨髓間充質(zhì)干細胞和異位植入免疫缺陷小鼠，研究發(fā)現(xiàn)，成骨與兩種材料組成和孔隙率有關(guān)[25]。磷酸鈣支架負載細胞骨形成、礦化和骨誘導(dǎo)能力都不如自體移植，但在臨床應(yīng)用中，自體骨并不能滿足移植需要，在骨替代材料方面，磷酸鈣支架負載細胞被認為是骨替代材料的金標準[26]。骨髓間充質(zhì)干細胞接種(70±5)%的多孔雙相磷酸鈣[(80±5)wt%HA和(20±5)wt%β-TCP]和100%的β-TCP支架材料導(dǎo)致更高的骨形成相對于天然骨移植[27]。間充質(zhì)干細胞與膠原凝膠用于形成骨樣組織，該組織隨著間充質(zhì)干細胞分化成成骨細胞力學(xué)強度增加，膠原凝膠增加骨鈣素分泌，鈣沉積，并在體外培養(yǎng)條件下增加成骨基因(Runx2)/osterix信使RNA水平[28]。Thein-Han和Xu[29]用負載人類臍帶間充質(zhì)干細胞的膠原蛋白磷酸鈣骨水泥進行快速骨組織工程研究，并取得了很好的效果。Koob等[30]用人骨髓間充質(zhì)干細胞與人臍血管內(nèi)皮細胞結(jié)合構(gòu)建復(fù)雜的骨組織支架，當(dāng)小鼠植入負載人骨髓間充質(zhì)干細胞和人臍血管內(nèi)皮細胞脫鈣處理的牛松質(zhì)骨(異體骨)時，發(fā)現(xiàn)有復(fù)雜三維血管網(wǎng)生成。

1.6.2 負載生長因子、藥物和基因載體支架 現(xiàn)在骨組織工程的發(fā)展還通過支架負載生長因子、藥物和基因載體來實現(xiàn)。Li等[31]研究發(fā)現(xiàn)，用納米羥基磷灰石/膠原/聚L-乳酸的支架負載骨形態(tài)發(fā)生蛋白2，新骨形成比單純純支架更快；負載5 mg/L的VEGF的支架在Balb/cmice小鼠骨缺損模型實驗的結(jié)果是，28 d后血管密度由無VEGF支架(53.8±10.9)支/mm3增加到(83.8±16.5)支/mm3，而且在大孔隙內(nèi)骨形成增加了3倍；增加的血管在缺損部位提供了豐富的干細胞的以及對成骨細胞遷移和分化的直接刺激作用，從而導(dǎo)致更強的新骨形成。植入后28 d顯示血管形成增加是由于VEGF載入支架的原因[32]。最近的研究顯示，負載骨形態(tài)發(fā)生蛋白2和VEGF的支架導(dǎo)致血管生成增強和新骨形成增加[31]。另一種生長因子，胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor，IGF)對骨折愈合顯著促進作用，其能刺激增殖不同的骨再生細胞的趨化遷移[33]。胚胎干細胞有分化成所有類型體細胞的潛能，其向成骨細胞分化，可以由IGF2促進[34]。為了引入骨誘導(dǎo)性，骨組織工程支架通常負載有藥品和生長因子來治療骨缺損，負載藥物包括慶大霉素、萬古霉素、阿侖膦酸鈉、甲氨蝶呤和布洛芬等，都取得了良好的效果[35-36]。

1.6.3 負載基因載體支架 雖然作用不是很顯著、高效，但基因治療也獲得了一些研究成果，以調(diào)節(jié)生長因子和轉(zhuǎn)錄因子來表現(xiàn)骨誘導(dǎo)特性[10,37-38]。負載在支架孔隙和周圍組織里，生長因子的編碼基因傳遞到特定的細胞用來表達外源基因和蛋白質(zhì)[31,39]。體內(nèi)磷酸鈣/聚合物降解、加載的VEGF釋放及釋放質(zhì)粒進入目標細胞，表達VEGF，導(dǎo)致血管生成[38]。當(dāng)膠原蛋白負載了骨形態(tài)發(fā)生蛋白9基因轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細胞，植入小鼠骨缺損模型，這種基因治療在小鼠骨缺損處表現(xiàn)出完美的修復(fù)作用[37]。

2 骨組織工程支架對生物分子的傳遞作用

支架可用于遞送生物分子，來促進骨組織生成或?qū)侨睋p的修復(fù)。支架負載的生物分子是特定蛋白或生長因子(轉(zhuǎn)化生長因子β、骨形態(tài)發(fā)生蛋白、IGF、成纖維生長因子和VEGF)，造骨原始細胞通過這些生長因子影響成長或分化成特定譜系，這些生長因子控制成骨、骨組織再生和細胞外基質(zhì)的形成[14]。因此，負載或結(jié)合不同的生長因子和其他生物分子是骨組織工程的特殊功能。例如，IGF有助于在需要骨愈合不同骨細胞的遷移，同時骨形態(tài)發(fā)生蛋白誘導(dǎo)造骨原始細胞早期增殖和分化。在動物模型中已被證明，引入特定的生物分子能促進骨折不愈合或延遲愈合骨折的愈合[31]。故支架和生物分子及生長因子的有效結(jié)合可以促進骨缺損修復(fù)。

3 骨組織工程支架中血管再生

正常骨組織高度血管化，因此，骨支架的性能取決于其能誘導(dǎo)新血管形成的能力。在體內(nèi)內(nèi)環(huán)境條件下，供給氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)是支架內(nèi)生長的細胞和組織生存必不可少的。支架植入后，傷口愈合炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)自發(fā)形成血管，形成復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)需要數(shù)周時間。骨傳導(dǎo)或骨誘導(dǎo)骨組織工程支架材料不能引起血管化。另外，不正確的和不充分的血管通入氧氣和營養(yǎng)缺乏，可能導(dǎo)致不均勻的細胞分化和細胞死亡。VEGF可以誘導(dǎo)產(chǎn)生一個復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)在支架里面[32]。

4 骨組織工程支架的設(shè)計

骨組織是一種膠原和羥基磷灰石的天然復(fù)合物，由10%～30%的多孔外層硬質(zhì)即皮質(zhì)骨和30%～90%的多孔內(nèi)部即松質(zhì)骨組成[40]。從骨皮質(zhì)到骨松質(zhì)骨的力學(xué)性能變化很大，并且微觀伴隨著復(fù)雜的幾何形狀。一個理想的支架材料用于骨組織工程需要：①需要有宏觀孔隙(孔徑>100 μm)和微觀孔隙(孔徑<20 μm)，并且互相連的開放孔隙用于體內(nèi)組織內(nèi)生長；②有足夠的機械強度、可控降解動力學(xué)、將適當(dāng)?shù)呢摵赊D(zhuǎn)移到相鄰的宿主組織；③滅菌，包裝，運輸?shù)鹊绞中g(shù)過程安全可靠，以及植入后在體內(nèi)有生物活性；④有利于細胞生長的環(huán)境[41]。至今很難找到一種材料完全滿足上述條件，故很難設(shè)計一個“理想的骨組織工程支架”。

5 骨組織工程支架的制造

縱觀當(dāng)今研究制造三維(3D)互連多孔骨組織工程支架，固體無模成型是最廣泛的制造技術(shù)，成功用于制備聚合物、陶瓷、金屬和復(fù)合骨組織工程支架。固體無模成型(solid freeform fabrication，SFF)是在計算機輔助設(shè)計(CAD)后，在3D空間分層印刷技術(shù)，即3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)是把一個通過設(shè)計或者掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標軸切成無限多個剖面，然后一層一層地打印出來并按原來的位置堆積到一起，形成一個實體的立體模型[42]。3D打印技術(shù)的基本步驟是：先由計算機3D軟件設(shè)計一個計算機輔助設(shè)計文件，根據(jù)需要創(chuàng)建支架的幾何形狀和孔隙度；然后由3D打印機應(yīng)用3D空間分層印刷技術(shù)，一層一層將材料構(gòu)建成設(shè)計的幾何形狀。3D打印技術(shù)通過熔融層積成型技術(shù)、立體平版印刷技術(shù)、選區(qū)激光燒結(jié)、激光成型技術(shù)和紫外線成型技術(shù)等實現(xiàn)將材料耗材向設(shè)計的空間結(jié)構(gòu)幾何形狀轉(zhuǎn)化。根據(jù)不同的材料采用不同的SFF技術(shù)。R&D 3D陶瓷支架打印機的打印步驟是：先在沉積床上鋪粉，然后打印機噴頭在X、Y軸上做位移在粉末上噴粘合劑，等粘合劑干燥后，沉積床在Z軸向下移動一個層面，重復(fù)改過程，一層一層直到一個3D多孔支架形成。如果將噴頭換成高能激光這就是激光凈成型技術(shù)，已被用于鈦、鉭及其合金，產(chǎn)生多孔金屬支架。一層一層的設(shè)定燒結(jié)過程，使用高功率激光器(500～2000 W)熔化金屬粉末，基于計算機輔助設(shè)計數(shù)據(jù)的三維結(jié)構(gòu)。激光集中到一個金屬襯底創(chuàng)建一個熔融金屬池，金屬粉末在那里外部送入金屬池，在X、Y軸上移動激光頭形成一層，下一層是建立在之前的基礎(chǔ)之上；然后重復(fù)這個過程,直到支架整體產(chǎn)生，宏觀結(jié)構(gòu),孔隙結(jié)構(gòu)都可以由激光鏡頭控制。還有學(xué)者應(yīng)用激光凈成型技術(shù)技術(shù)來制造磷酸鈣支架[4,43]。制作三維復(fù)合支架常見的方法還有熱誘導(dǎo)相分離法、溶劑澆鑄/粒子侵出法、微球燒結(jié)法、支架包衣法、原位成型法等。另外，靜電紡絲法制造的聚合物支架，也顯示了很大的前途。聚合物溶液通過針頭在電場下注入其中一個紡絲表面賦予形狀的支架模型，制成所需要的支架立體結(jié)構(gòu)[44]。它主要設(shè)計用于聚合物支架，但陶瓷和聚合物復(fù)合材料也可以使用這種方法成功地制備[45-47]。

6 小 結(jié)

支架負載生物分子或藥物等成骨和血管生成特性是現(xiàn)在研究的熱點。文章通過骨組織工程支架的常用材料討論了其發(fā)展情況及階段，綜述了支架在體內(nèi)、外試驗，在體內(nèi)骨傳導(dǎo)性及制造技術(shù)等；綜述了各種生物分子傳遞在新骨形成和血管生成在骨組織工程支架的作用。這些研究結(jié)果對臨床應(yīng)用有較強的指導(dǎo)意義。雖然骨組織工程支架還存在不足之處，相信不久的將來，一定會涌現(xiàn)出大量適合各種臨床需要的骨組織工程支架。

[1] Teixeira S,Fernandes H,Leusink A,etal.In vivo evaluation of highly macroporous ceramic scaffolds for bone tissue engineering[J].J Biomed Mater Red A，2010,93(2):567-575.

[2] Woodard JR,Hilldore AJ,Lan SK,etal.The mechanical properties and osteoconductivity of hydroxyapatite bone scaffolds with multi-scale porosity[J].Biomaterials,2007,28(1):45-54.

[3] Tarafder S,Balla VK,Davies NM,etal.Microwave-sintered 3D printed tricalcium phosphate scaffolds for bone tissue engineering[J].J Tissue Eng Regen Med,2013,7(8):631-641.

[4] Fielding GA,Bandyopadhyay A,Bose S.Effects of silica and zinc oxide doping on mechanical and biological properties of 3D printed tricalcium phosphate tissue engineering scaffolds[J].Dent Mater,2012,28(2):113-122.

[5] Bose S,Tarafder S,Banerjee SS,etal.Understanding in vivo response and mechanical property variation in MgO,SrO and SiO2 doped β-TCP[J].Bone,2011,48(6):1282-1290.

[6] Shie MY,Ding SJ,Chang HC.The role of silicon in osteoblast-like cell proliferation and apoptosis[J].Acta Biomater,2011,7(6):2604-2614.

[7] Jones JR,Ehrenfried LM,Hench LL.Optimising bioactive glass scaffolds for bone tissue engineering[J].Biomaterials,2006,27(7):964-973.

[8] San Miguel B,Kriauciunas R,Tosatti S,etal.Enhanced osteoblastic activity and bone regeneration using surface-modified porous bioactive glass scaffolds[J].J Biomed Mater Res A,2010,94(4):1023-1033.

[9] Wu C,Zhou Y,Fan W,etal.Hypoxia-mimicking mesoporous bioactive glass scaffolds with controllable cobalt ion release for bone tissue engineering[J].Biomaterials,2012,33(7):2076-2085.

[10] Lichte P,Pape H,Pufe T,etal.Scaffolds for bone healing:concepts,materials and evidence[J].Injury, 2011,42(6):569-573.

[11] Yan J,Li J,Runge MB,etal.Cross-linking characteristics and mechanical properties of an injectable biomaterial composed of polypropylene fumarate and polycaprolactone co-polymer[J].J Biomater Sci Polym Ed,2011,22(4/6):489-504.

[12] Oh SH,Park SC,Kim HK,etal.Degradation Behavior of 3D Porous Polydioxanone-b-Polycaprolactone Scaffolds Fabricated Using the Melt-Molding Particulate-Leaching Method[J].J Biomat Sci Polym Ed,2010.

[13] Xue W,Bandyopadhyay A,Bose S.Polycaprolactone coated porous tricalcium phosphate scaffolds for controlled release of protein for tissue engineering[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2009,91(2):831-838.

[14] Cao H,Kuboyama N.A biodegradable porous composite scaffold of PGA/β-TCP for bone tissue engineering[J].Bone,2010,46(2):386-395.

[15] Laschke MW,Strohe A,Menger MD,etal.In vitro and in vivo evaluation of a novel nanosize hydroxyapatite particles/poly (ester-urethane) composite scaffold for bone tissue engineering[J].Acta Biomater,2010,6(6):2020-2027.

[16] Roohani-Esfahani SI,Nouri-Khorasani S,Lu Z,etal.The influence hydroxyapatite nanoparticle shape and size on the properties of biphasic calcium phosphate scaffolds coated with hydroxyapatite-PCL composites[J].Biomaterials,2010,31(21):5498-5509.

[17] Banerjee SS,Tarafder S,Davies NM,etal.Understanding the influence of MgO and SrO binary doping on the mechanical and biological properties of Beta-TCP ceramics[J].Acta Biomater,2010,6(10):4167-4174.

[18] 葉向陽,甄平,李曉飛，等.新型抗結(jié)核多孔磷酸鈣骨水泥緩釋載體的制備與性能研究[J].中國矯形外科雜志,2010,18(23):1981-1986.

[19] Balla VK,Bodhak S,Bose S,etal.Porous tantalum structures for bone implants:fabrication,mechanical and in vitro biological properties[J].Acta Biomater,2010,6(8):3349-3359.

[20] Dabrowski B,Swieszkowski W,Godlinski D,etal.Highly porous titanium scaffolds for orthopaedic applications[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2010,95(1):53-61.

[21] Serruys PW,Garcia-Garcia HM,Onuma Y.From metallic cages to transient bioresorbable scaffolds:change in paradigm of coronary revascularization in the upcoming decade?[J].Eur Heart J, 2012,33(1):16-25.

[22] Xue W,Krishna BV,Bandyopadhyay A,etal.Processing and biocompatibility evaluation of laser processed porous titanium[J].Acta Biomater,2007,3(6):1007-1018.

[23] Wang J,He Y,Maitz MF,etal.A surface-eroding poly (1,3-trimethylene carbonate) coating for fully biodegradable magnesium-based stent applications:Toward better biofunction,biodegradation and biocompatibility[J].Acta Biomater,2013,9(10):8678-

8689.

[24] Ambrose CG,Clyburn TA,Mika J,etal.Evaluation of antibiotic-Impregnated microspheres for the prevention of implant-associated orthopaedic infections[J].J Bone Joint Surg Am，2014,96(2):128-134.

[25] Papadimitropoulos A,Mastrogiacomo M,Peyrin F,etal.Kinetics of in vivo bone deposition by bone marrow stromal cells within a resorbable porous calcium phosphate scaffold:an X-ray computed microtomography study[J].Biotechnol Bioeng,2007,98(1):271-

281.

[26] Ewald A,H?sel D,Patel S,etal.Silver-doped calcium phosphate cements with antimicrobial activity[J].Acta Biomater,2011,7(11):4064-4070.

[27] Eniwumide JO,Yuan H,Cartmell SH,etal.Ectopic bone formation in bone marrow stem cell seeded calcium phosphate scaffolds as compared to autograft and (cell seeded) allograft[J].Eur Cell Mater，2007,14:30-39.

[28] Naito H,Dohi Y,Zimmermann WH,etal.The effect of mesenchymal stem cell osteoblastic differentiation on the mechanical properties of engineered bone-like tissue[J].Tissue Eng Part A,2011,17(17/18):2321-2329.

[29] Thein-Han W,Xu HH.Collagen-calcium phosphate cement scaffolds seeded with umbilical cord stem cells for bone tissue engineering[J].Tissue Eng Part A,2011,17(23/24):2943-2954.

[30] Koob S,Torio-Padron N,Stark GB,etal.Bone formation and neovascularization mediated by mesenchymal stem cells and endothelial cells in critical-sized calvarial defects[J].Tissue Eng Part A,2010,17(3/4):311-321.

[31] Li J,Hong J,Zheng Q,etal.Repair of rat cranial bone defects with nHAC/PLLA and BMP-2-related peptide or rhBMP-2[J].J Orthop Res,2011,29(11):1745-1752.

[32] Wernike E,Montjovent MO,Liu Y,etal.VEGF incorporated into calcium phosphate ceramics promotes vascularisation and bone formation in vivo[J].Eur Cell Mater,2010,19:30-40.

[33] Pollak M.The insulin and insulin-like growth factor receptor family in neoplasia:an update[J].Nat Rev Cancer,2012,12(3):159-169.

[34] Kang H,Sung J,Jung HM,etal.Insulin-like growth factor 2 promotes osteogenic cell differentiation in the parthenogenetic murine embryonic stem cells[J].Tissue Eng Part A,2011,18(3/4):331-341.

[35] Bose S,Tarafder S.Calcium phosphate ceramic systems in growth factor and drug delivery for bone tissue engineering:a review[J].Acta Biomater,2012,8(4):1401-1421.

[36] Verron E,Khairoun I,Guicheux J,etal.Calcium phosphate biomaterials as bone drug delivery systems:a review[J].Drug Discov Today，2010,15(13/14):547-552.

[37] Kimelman-Bleich N,Pelled G,Zilberman Y,etal.Targeted gene-and-host progenitor cell therapy for nonunion bone fracture repair[J].Mol Ther,2011,19(1):53-59.

[38] Keeney M,van den Beucken JJ,van der Kraan PM,etal.The ability of a collagen/calcium phosphate scaffold to act as its own vector for gene delivery and to promote bone formation via transfection with VEGF(165)[J].Biomaterials,2010,31(10):2893-2902.

[39] Fischer J,Kolk A,Wolfart S,etal.Future of local bone regeneration-protein versus gene therapy[J].J Craniomaxillofac Surg,2011,39(1):54-64.

[40] Butscher A,Bohner M,Hofmann S,etal.Structural and material approaches to bone tissue engineering in powder-based three-dimensional printing[J].Acta Biomater,2011,7(3):907-920.

[41] Mankani MH,Afghani S,Franco J,etal.Lamellar spacing in cuboid hydroxyapatite scaffolds regulates bone formation by human bone marrow stromal cells[J].Tissue Eng Part A,2011,17(11/12):1615-1623.

[42] Rengier F,Mehndiratta A,von Tengg-Kobligk H,etal.3D printing based on imaging data:review of medical applications[J].Int J Comput Assist Radiol Surg,2010,5(4):335-341.

[43] Feng P,Wei P,Shuai C,etal.Characterization of mechanical and biological properties of 3-D scaffolds reinforced with zinc oxide for bone tissue engineering[J].PLoS One,2014,9(1):e87755.

[44] Holzwarth JM,Ma PX.Biomimetic nanofibrous scaffolds for bone tissue engineering[J].Biomaterials,2011,32(36):9622-9629.

[45] Seyednejad H,Ji W,Schuurman W,etal.An electrospun degradable scaffold based on a novel hydrophilic polyester for tissue-engineering applications[J].Macromol Biosci，2011,11(12):1684-

1692.

[46] Phipps MC,Clem WC,Grunda JM,etal.Increasing the pore sizes of bone-mimetic electrospun scaffolds comprised of polycaprolactone,collagen I and hydroxyapatite to enhance cell infiltration[J].Biomaterials,2012,33(2):524-534.

[47] You Z,Bi X,Fan X,etal.A functional polymer designed for bone tissue engineering[J].Acta Biomater,2012,8(2):502-510.

Research Progress of Bone Tissue Engineering Scaffolds

YUANJing，ZHENPing.

(DepartmentofOrthopedics,LanzhouGeneralHospitalofLanzhouMilitaryAreaCommandofChinesePLA,Lanzhou730050,China)

Bone tissue engineering scaffolds are originally used for structural restoration for bone tissue,and now with the load of biologically active substances they are used for bone induction and angiogenesis to promote bone tissue growth.The bone tissue engineering scaffolds loaded with biological molecules or drugs to promote bone formation and angiogenesis properties has become the research focus in the field.3D printing technology is widely accepted in the bone tissue engineering field due to the advantages of easy design,easy making of various scaffolds of complex structure,uniform pores and different geometric shapes without molds.

Bone tissue engineering; Scaffold materials; Design and preparation

國家自然科學(xué)基金(81371983)

R683

A

1006-2084(2015)12-2126-05

10.3969/j.issn.1006-2084.2015.12.006

2014-09-24

2014-11-17 編輯：鄭雪