生物活性聚合物及其復(fù)合材料在骨組織工程中的應(yīng)用進(jìn)展

鄭 威，董學(xué)明，何 陽(yáng)，劉彥菊，冷勁松

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院，哈爾濱 150076；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱 150080；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天工程與力學(xué)系，哈爾濱 150001)

骨組織由兩種不同的結(jié)構(gòu)組成：松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨(圖1)。松質(zhì)骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是海綿狀的，具有50%～90%的孔隙率。皮質(zhì)骨是致密的骨外層，孔隙率小于10%。兩種類型骨形成都需要經(jīng)歷動(dòng)態(tài)重塑、成熟、分化和再吸收的過(guò)程。這些過(guò)程通過(guò)骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間的相互作用來(lái)控制調(diào)節(jié)[1-2]。成骨細(xì)胞主要負(fù)責(zé)新骨形成，而破骨細(xì)胞負(fù)責(zé)老骨的再吸收。這種涉及破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的動(dòng)態(tài)過(guò)程稱為骨重建，對(duì)于促進(jìn)骨再生和維持組織結(jié)構(gòu)的完整性具有重要意義。骨組織有良好的自我修復(fù)能力，盡管如此，包括創(chuàng)傷、感染、腫瘤和關(guān)節(jié)置換術(shù)后翻修在內(nèi)的先天性和后天性病變?nèi)匀荒軌蚴够颊叩墓侨睋p超出身體無(wú)法治愈的臨界尺寸[3-5]。這些患者需要通過(guò)外科手術(shù)將骨代替物移植到骨缺損部位，以幫助骨骼穩(wěn)定和再生。在歐洲，預(yù)計(jì)從2010年到2025年骨折的增長(zhǎng)率將達(dá)到28%[6]。美國(guó)與年齡有關(guān)的骨折人數(shù)預(yù)計(jì)將從2005年的210萬(wàn)增加到2025年的300多萬(wàn)[7]。骨骼是世界上第二大最常被移植的組織，每年至少有400萬(wàn)次手術(shù)使用骨移植物和骨替代材料[8-10]。

圖1 骨組織示意[1]Fig.1 Schematic of bone tissue[1]

目前用于骨修復(fù)和再生的臨床治療方法包括使用自體骨移植物和同種異體骨移植物的自體移植和異體移植[11-12]。有大量的研究報(bào)告指出了這些療法的局限性和并發(fā)癥。自體骨移植物具有組織相容性和非免疫原性，因此成為了骨移植物的黃金標(biāo)準(zhǔn)，并且它們提供了骨移植物材料所需的所有必要性能。具體而言，自體骨移植物具有實(shí)現(xiàn)骨誘導(dǎo)(即骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)和其他生長(zhǎng)因子)、成骨作用(即骨祖細(xì)胞)和骨傳導(dǎo)(即三維多孔基質(zhì))的基本成分。但是，自體骨移植需要從患者的其他部位骨骼中獲得，因此需要在組織收集部位進(jìn)行第二次手術(shù)[13]。自體骨移植是非常昂貴的手術(shù)，可能導(dǎo)致供體部位的嚴(yán)重?fù)p傷和發(fā)病率,造成畸形、疤痕形成，并且還增加了相關(guān)的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：包括出血、炎癥、感染和慢性疼痛等[14-16]。此外，在缺損部位需要的骨量超過(guò)可行或可用量的情況下，自體骨移植可能是無(wú)效的治療選擇。同種異體移植是第二種最常見的骨移植技術(shù)，需要從供體者骨骼中獲取所需骨組織。同種異體骨也具有一定的組織相容性，并且可以根據(jù)宿主缺損部位的需要通過(guò)多種形式獲得，包括脫礦質(zhì)骨基質(zhì)(demineralized bone matrix,DBM)、皮質(zhì)松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨移植、骨軟骨和全骨段等。與自體骨移植相比，同種異體移植具有免疫反應(yīng)和增加感染傳播的風(fēng)險(xiǎn)。它們具有相對(duì)較低的骨誘導(dǎo)特性，并且沒(méi)有細(xì)胞成分，因?yàn)楣w骨移植物往往需要經(jīng)過(guò)輻射或冷凍干燥等過(guò)程，在此期間大部分的酶以及生長(zhǎng)因子失活[17-19]。同種異體骨的來(lái)源依舊有限，并且手術(shù)費(fèi)用同樣很高。此外，骨移植市場(chǎng)正面臨明顯的供不應(yīng)求和巨大需求[20]。目前同種異體骨移植材料出現(xiàn)嚴(yán)重短缺。其他常用的臨床骨修復(fù)輔助技術(shù)包括牽拉骨生成、骨水泥填充劑和骨形態(tài)發(fā)生蛋白等，雖然上述臨床干預(yù)措施已被證明可以改善骨修復(fù)，但沒(méi)有一種具有所有理想的骨修復(fù)特性：較高的骨誘導(dǎo)性能和優(yōu)異的血管生成潛力、生物相容性、低患者發(fā)病率、無(wú)尺寸限制、外科醫(yī)生可隨時(shí)獲得、較長(zhǎng)的保質(zhì)期以及合理的成本。

近年來(lái)，組織工程的出現(xiàn)為骨缺損的治療提供了新的方向。通過(guò)組織工程獲得的骨代替物解決了自體移植物和同種異體移植物資源匱乏的問(wèn)題。利用傳統(tǒng)聚合物材料以及近幾年新型的形狀記憶聚合物材料制得的骨組織工程支架不僅能為新形成的骨組織提供結(jié)構(gòu)完整性，而且互連多孔結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)細(xì)胞滲透、新組織形成、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸以及新血管的形成。新型的形狀記憶支架更能根據(jù)患者的不同缺損情況實(shí)現(xiàn)個(gè)性化“自適應(yīng)”填充。此外，由于良好的生物相容性，可調(diào)節(jié)的化學(xué)組成和生物降解性，新型的形狀記憶聚合物作為用于制造醫(yī)療產(chǎn)品和骨替代物的生物材料是非常有前途的。因此，本文主要綜述了傳統(tǒng)聚合物材料及新型的形狀記憶聚合物材料近些年在骨修復(fù)中的應(yīng)用情況。

1 傳統(tǒng)聚合物材料

傳統(tǒng)聚合物由于其具有良好的延展性、生物相容性以及生物可降解性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在制備骨修復(fù)支架中。在傳統(tǒng)聚合物支架表面上裝載生物活性分子，可顯著提高細(xì)胞在支架上的粘附、增殖和分化。傳統(tǒng)的聚合物如膠原(collagen,Col)、殼聚糖(chitosan,CS)、透明質(zhì)酸(hyaluronic acid,HA)、絲素蛋白(silk fibroin,SF)、甲殼質(zhì)(chitin,CI)、明膠(凝膠)和藻酸鹽(alginic acid sodium salt,Alg)及其復(fù)合物是資源豐富的生物材料，在骨組織工程中占據(jù)著主要地位。

1.1 膠原蛋白(Col)基復(fù)合支架

Col是人體內(nèi)最豐富，分布最廣的蛋白質(zhì)[21]。在骨組織工程中，從海洋海綿和反芻動(dòng)物等各種來(lái)源獲得的膠原被廣泛地與各種其他材料結(jié)合使用，用于制造電紡纖維、支架基質(zhì)和水凝膠，以幫助靶向輸送生物因子、促進(jìn)干細(xì)胞分化和成骨化[22-23]。利用細(xì)菌和酵母大規(guī)模合成的重組人樣Col，有助于提高成纖維細(xì)胞的相容性和促進(jìn)骨生長(zhǎng)。生物相容性高、基質(zhì)模擬和可生物降解等特性使其成為骨修復(fù)中最常應(yīng)用的傳統(tǒng)聚合物材料[24-25]。膠原的機(jī)械性能和降解特性可以通過(guò)交聯(lián)過(guò)程來(lái)定制。然而，與其他傳統(tǒng)聚合物一樣，膠原蛋白的機(jī)械性能不足以作為承重支架使用，往往與骨組織工程(bone tissue engineering,BTE)中更堅(jiān)固的材料結(jié)合以產(chǎn)生復(fù)合支架。例如，作為骨骼的主要無(wú)機(jī)成分，羥基磷灰石(hydroxyapatite,HAP)經(jīng)常與膠原蛋白結(jié)合制備復(fù)合支架。

Zhang等[26]通過(guò)冷凍干燥后脫水熱處理制備多孔和交聯(lián)的Col/HAP復(fù)合支架。通過(guò)調(diào)節(jié)Col/HAP比率和脫水熱時(shí)期，獲得具有各種孔隙率、機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性的骨修復(fù)支架。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2，成骨細(xì)胞在不同含量組成的Col/HAP支架中均有不同程度的粘附和增殖，說(shuō)明該材料具有良好的生物相容性和可誘導(dǎo)細(xì)胞增殖的性能。

圖2 在不同含量組成的Col/HAP支架上成骨細(xì)胞培養(yǎng)7 d的共聚焦熒光圖像[26]Fig.2 Confocal fluorescence images of osteoblasts cultured on Col/HAP scaffolds with different contents for 7 d[26]

Villa等[27]通過(guò)共沉淀和冷凍澆鑄法制備了膠原-羥基磷灰石(Col-HAP)復(fù)合支架。所形成的支架具有99%的孔隙率，高度的滲透性有利于細(xì)胞的浸潤(rùn)和附著。將在小鼠骨髓中獲得的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells,BMSC)接種到支架上，在體外培養(yǎng)12 h后能觀察到細(xì)胞在支架上良好附著。隨后將支架植入小鼠顱骨缺損處，三周后放射影像和礦化分析發(fā)現(xiàn)顱骨缺損幾乎完全填充。數(shù)周后，宿主的基質(zhì)金屬蛋白酶會(huì)逐漸分解膠原蛋白致使支架逐漸降解完全。為可降解生物支架提供了新的思路。相比之下，Marcacci等[28]發(fā)現(xiàn)，將純HAP支架植入4例長(zhǎng)骨缺損患者6 a后，存在支架無(wú)法降解的情況。Col-HAP支架的機(jī)械性能使其最適合于非承重應(yīng)用，如面部修復(fù)[27]，或者應(yīng)用于輔助治療復(fù)雜骨折，就像常用的骨替代品或骨移植一樣，并可以結(jié)合機(jī)械固定來(lái)實(shí)現(xiàn)修復(fù)目的[29]。

Ren等[30]研究了礦化膠原/糖胺聚糖(mineralized collagen-glycosaminoglycan,MC-GAG)支架。動(dòng)物(兔)實(shí)驗(yàn)表明，與非礦化膠原/糖胺聚糖支架相比，MC-GAG植入物具有更好的支持骨修復(fù)顱骨缺損的能力。如圖3所示，在未重建和Col-GAG重建的缺陷中，在缺損的中心部分發(fā)現(xiàn)較小的礦化含量，而MC-GAG支架的中心部分含有更多的礦化骨。

圖3 體內(nèi)組織學(xué)分析Col-GAG和MC-GAG支架植入臨界大小的兔顱骨缺損中的骨修復(fù)情況[30]Fig.3 Histologic analysis of in vivo bone healing in critical sized rabbit cranial defects implanted with Col-GAG and MC-GAG scaffolds[30]

1.2 殼聚糖(CS)基復(fù)合支架

甲殼質(zhì)(CI)是最豐富的天然氨基多糖，主要從甲殼類動(dòng)物(蝦、蟹、龍蝦等)中提取。CI和CS被認(rèn)為是一種多功能的生物材料。盡管CI具有各種工業(yè)應(yīng)用，但由于其溶解性弱，在骨修復(fù)中的使用受到限制。另一方面，脫乙酰化的CI衍生物-CS是公認(rèn)的天然聚合物。它主要包括的單元即(1-4)糖苷鍵連接的D-葡糖胺殘基與隨機(jī)定位的可變數(shù)目N-乙?；?D-葡糖胺酶(N-acetyl-glucosaminidase,NAG)基團(tuán)。CS具有與糖胺聚糖(glycosaminoglycan,GAG)相似結(jié)構(gòu)，GAG是細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)中與膠原纖維相互作用并在細(xì)胞-細(xì)胞粘附中起重要作用的成分之一。CS在骨修復(fù)支架制造領(lǐng)域非常重要，因?yàn)樗哂辛己玫纳锵嗳菪?、可生物降解性以及抗菌作用等[31-33]。為了增強(qiáng)CS的性能，聚合物如Alg、Gel、PCL和生物活性納米陶瓷如HAP、SiO2、TiO2、ZrO2等已被用于增加CS生物復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度[34-36]。

Elkholy等[37]開發(fā)了一種β-CS/n-HAP復(fù)合材料。隨著β-CS的增加力學(xué)性能逐漸增大，當(dāng)重量比達(dá)到30∶70時(shí)β-CS/n-HAP復(fù)合材料獲得了最佳力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度為13.05 MP)。此外，研究發(fā)現(xiàn)β-CS/n-HAP復(fù)合材料在SBF溶液中浸泡8周后，殼聚糖逐漸減少并幾乎消失，說(shuō)明殼聚糖具有良好的生物可降解性能[38]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4，復(fù)合β-CS/n-HAP作為可生物降解的骨替代物，不僅可以促進(jìn)骨骼生成，還可以加速Haversian系統(tǒng)的形成。

圖4 對(duì)照組和植入組的顯微圖像[37]Fig.4 Microscopic images of control group and implanted group[37]

Wu等[39]通過(guò)粒子浸出法后壓縮成型的方式制備了負(fù)載殼聚糖/納米羥基磷灰石-阿倫磷酸鹽(CH/nHAP-ALs)微球的多孔聚乳酸/納米羥基磷灰石復(fù)合支架系統(tǒng)(CM-ALs)。并對(duì)載有0%、10%和20%的(CH/nHAP-ALs)微球的復(fù)合支架的表面形態(tài)、孔隙率、機(jī)械性能、藥物體外釋放和成骨分化性能等方面進(jìn)行了測(cè)試。SEM觀察到支架呈現(xiàn)均勻互相貫穿的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑大約在150～250 μm之間。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明與多孔聚乳酸/納米羥基磷灰石支架相比，兔脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞(rabbit adipose-derived mesenchymal stem cells,ASCs)在負(fù)載殼聚糖載藥微球的支架上培養(yǎng)5 d后發(fā)現(xiàn)快速增殖和細(xì)胞外基質(zhì)的生成，堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性和鈣沉積顯著增加。隨后，將含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%和10%的載藥微球多孔復(fù)合支架植入兔骨缺損模型中進(jìn)一步評(píng)估體內(nèi)誘導(dǎo)骨生成性能。在植入4～8周期間，X射線分析發(fā)現(xiàn)骨缺損愈合，并伴有新骨形成。含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%載藥微球的支架組新骨形成率顯著增高，這一效應(yīng)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)(圖5)。主要是因?yàn)榘惲姿猁}的持續(xù)釋放能長(zhǎng)達(dá)30 d，提高骨的修復(fù)再生能力。這種可以持續(xù)釋放藥物并能支持干細(xì)胞增殖分化的多孔復(fù)合支架，在骨組織工程中具有巨大的應(yīng)用前景。

圖5 X射線分析CM-ALs(0%)與CM-ALs(10%)植入組新骨形成情況[39]Fig.5 X-ray analysis of new bone formation in CM-ALs (0%)and CM-ALs (10%)implanted groups[39]

1.3 透明質(zhì)酸(HA)基復(fù)合支架

透明質(zhì)酸(HA)是一種線性高分子多糖，最常被稱為乙酰透明質(zhì)酸。它由α-1,4-D-葡糖醛酸和β-1,3-N-乙酰基-D-葡糖胺的交替二糖單元組成。HA作為一種天然糖胺聚糖，廣泛存在于結(jié)締組織、上皮和神經(jīng)組織中。作為細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分之一，既能充當(dāng)結(jié)構(gòu)元素，也能與結(jié)合蛋白、蛋白聚糖和其他生物活性分子相互作用，有助于調(diào)節(jié)水平衡，而且HA能顯著促進(jìn)細(xì)胞增殖和遷移。它通常具有非常大的分子量(103～107)，適用于硬組織和軟組織工程。HA不僅具有機(jī)械性能可調(diào)性，同時(shí)具有天然的黏彈性，可生物降解性和生物相容性，使其成為骨組織工程的理想材料。此外，它可以通過(guò)與細(xì)胞表面受體的相互作用來(lái)直接影響組織結(jié)構(gòu)，促進(jìn)細(xì)胞遷移和細(xì)胞外基質(zhì)的重塑。事實(shí)上，已知HA通過(guò)復(fù)雜信號(hào)通路中涉及各種表面受體與軟骨細(xì)胞相互作用使得軟骨細(xì)胞能夠維持其原始表型。

Unnithan等[40]將多種材料的有利特性結(jié)合起來(lái)，制備了一種負(fù)載骨誘導(dǎo)藥物辛伐他汀(simvastatin capsules,SV)的氧化石墨烯-殼聚糖-透明質(zhì)酸(GO-CS-HA)基生物活性復(fù)合支架。SV能促使人脂肪干細(xì)胞(human adipose-derived stem cells,hADSCs)來(lái)源的成骨細(xì)胞分化，提高BMP的表達(dá)水平。在該研究中，通過(guò)將CS和HA混合溶解，連續(xù)攪拌加入GO以產(chǎn)生復(fù)合混合物，然后進(jìn)行冷凍干燥并加入SV，最后將制得的復(fù)合支架與N,N-(3-二甲基氨基丙基)-N-乙基碳二亞胺交聯(lián)。電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)支架具有相互貫通的多孔結(jié)構(gòu)，GO的加入減少溶脹性并有助于增強(qiáng)支架的結(jié)構(gòu)完整性。如圖6所示，在接種第24和48 h后，從FESEM(field emission scanning electron microscope)圖像獲得支架上MC3T3(成骨細(xì)胞)細(xì)胞的形態(tài)和擴(kuò)散模式。細(xì)胞在復(fù)合支架上顯示出良好的附著性和優(yōu)異的鋪展性。在載有SV的GO-CS-HA支架中通過(guò)48 h培養(yǎng)后細(xì)胞的細(xì)長(zhǎng)形態(tài)證實(shí)成骨細(xì)胞遷移。此外，在支架上的細(xì)胞中觀察到延伸的形態(tài)表明成纖維細(xì)胞發(fā)生遷移，這可以加快組織再生。在整個(gè)研究期間，在負(fù)載SV的GO-CS-HA支架上觀察到更多細(xì)胞。體外礦化實(shí)驗(yàn)分析14 d后在負(fù)載了SV的支架中發(fā)現(xiàn)更高的礦化水平?？傮w而言，負(fù)載了SV的GO-CS-HA的復(fù)合支架為骨組織工程提供了一種新的選擇，其中加入的骨誘導(dǎo)藥物能顯著提高生物活性從而誘導(dǎo)骨組織加速形成。

圖6 MC3T3細(xì)胞在CS-HA、GO-CS-HA和SV-GO-CS-HA支架上分別培養(yǎng)24 h和48 h附著和增殖的FESEM圖像[40]Fig.6 FESEM images of MC3T3 cell attachment and proliferation on CS-HA,GO-CS-HA,and SV-GO-CS-HA at 24 h and 48 h respectively[40]

HA還被用作骨替代材料中提高生物活性的傳遞劑。Chang等[41]研究了使用HA作為羥基磷灰石/β-磷酸三鈣(HAP-βTCP)顆粒的水性粘合劑是否可以減少所需的骨移植量并在臨床情況下對(duì)移植物處理得更為方便。將HAP/βTCP加載到交聯(lián)的HA中形成新的HA/HAP-βTCP復(fù)合物，然后將其注入體內(nèi)兔顱骨缺損。組織學(xué)和微CT(micro-CT)分析發(fā)現(xiàn)，即使HAP-βTCP顆粒數(shù)量減少，HA也能維持骨再生。事實(shí)上，與對(duì)照支架相比，HA/HAP-βTCP樣品在2周后的骨形成量增加了1.7倍?？傊蚬且浦参镏刑砑親A不僅促進(jìn)了骨傳導(dǎo)，而且在臨床情況下也改善了處理特性。這為在醫(yī)療應(yīng)用中提供了便利，在組織工程中具有巨大的應(yīng)用前景。

1.4 絲素蛋白(SF)基復(fù)合支架

絲素蛋白是一種典型的纖維蛋白，可形成天然蠶絲的細(xì)絲，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性。幾十年來(lái)，絲纖維一直被用作生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的縫合線，它們是骨組織工程中有吸引力的生物材料。因?yàn)樗鼈兊男再|(zhì)符合生物材料支架的許多要求，例如緩慢的降解性、高強(qiáng)度和柔韌性，可調(diào)節(jié)的基因組成和順序，對(duì)水和氧的良好滲透性。此外，它們可以在水溶液中加工成凝膠、海綿、粉末和薄膜，并且由于具有氨基和羧基側(cè)鏈，因此易于表面修飾進(jìn)行改性。由家蠶(Bombyxmori)生產(chǎn)的無(wú)紡布纖維蛋白網(wǎng)支持包括成骨細(xì)胞在內(nèi)的各種人類細(xì)胞生長(zhǎng)的能力。工程絲纖維基質(zhì)已用于韌帶工程，高度多孔的絲海綿已被證明增強(qiáng)了骨髓來(lái)源的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨和軟骨形成作用。

Roohaniesfahani等[42]比較了HAP涂層的SF支架和HAP涂層的膠原支架的性能，他們將兩種支架變體植入大鼠脛骨中，在體內(nèi) 6周后對(duì)支架周圍的骨形成進(jìn)行組織學(xué)分析。他們發(fā)現(xiàn)用HAP涂覆的SF支架促進(jìn)了骨再生以及骨組織與支架融合程度，與HAP涂覆的膠原支架相比，顯示出優(yōu)異的結(jié)果。

此外，在骨組織工程中，SF也經(jīng)常被用于骨修復(fù)支架涂層。Kweon等[43]開發(fā)了新型復(fù)合陶瓷支架，把納米纖維PCL-SF涂層與雙向磷酸鈣(biphasic calcium phosphate ceramics,BCP)結(jié)合形成復(fù)合支架，其結(jié)構(gòu)模仿天然細(xì)胞外基質(zhì)，利用PCL和SF的雙重有益效果。評(píng)估了納米纖維PCL-SF涂層在增強(qiáng)BCP支架的機(jī)械和生物學(xué)行為方面的功效。PCL和絲的組合改善了BCP支架的機(jī)械強(qiáng)度和生物活性，納米纖維PCL-SF的添加改善了支架抗壓強(qiáng)度(從BCP的0.07 MPa到0.42 MPa)，彈性模量(BCP從5 MPa到25 MPa)，同時(shí)還保留了支架的孔隙率(85%)以及孔的連通率(99%)。生物活性方面，與BCP/PCL和BCP支架相比，BCP/PCL-SF支架中的成骨細(xì)胞增殖和分化率均有顯著提高。眾所周知，盡管陶瓷支架具有優(yōu)異的成骨誘導(dǎo)特性，但它們固有的脆性限制了臨床應(yīng)用。在研究中，已經(jīng)證明納米纖維PCL-SF涂層可以解決BCP陶瓷支架的脆性并且導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度和模量的顯著改善。對(duì)于復(fù)合支架，雙層改性使BCP支架的破壞應(yīng)變從小于1%增加至約7%，表明從脆性行為轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥孕袨?。這些改進(jìn)的機(jī)制基于PCL和SF與BCP的相互作用。SF作為聚合物具有出色的機(jī)械強(qiáng)度，而PCL以其優(yōu)異的韌性而聞名。因此，SF和PCL的組合彌補(bǔ)了BCP支架的特定弱點(diǎn)。為陶瓷類支架的應(yīng)用提供了一種新的方法，這對(duì)于骨組織工程的開發(fā)提供了新的道路。

2 新型形狀記憶聚合物材料

近年來(lái)，由于形狀記憶聚合物(shape memory polymer,SMP)在醫(yī)療、電子、高科技行業(yè)以及日常生活中的特殊應(yīng)用，引起了生物醫(yī)藥領(lǐng)域人士越來(lái)越多的關(guān)注。SMP是一類刺激響應(yīng)聚合物，加熱狀態(tài)下通過(guò)對(duì)其施加一定外力固定成臨時(shí)形狀，再通過(guò)外界環(huán)境刺激(例如：熱、水、pH、電、磁場(chǎng)、濕度等)從臨時(shí)形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵夹螒B(tài)(圖7)，其中最常見的是溫度響應(yīng)。SMP由于其低密度、經(jīng)濟(jì)成本、可加工性、可觀的形狀恢復(fù)特性[44-45]，被認(rèn)為是開發(fā)新型智能骨組織支架的絕佳選擇。

圖7 形狀記憶過(guò)程示意[44]Fig.7 Schematic of shape memory process[44]

SMP多年來(lái)已在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中引起廣泛關(guān)注，例如自緊縫合線[46]，組織工程學(xué)[47-48]。對(duì)于其在微創(chuàng)手術(shù)中的潛力也已進(jìn)行了深入研究，在此過(guò)程中，SMP在受到外部刺激后會(huì)從緊湊的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展/恢復(fù)為原始形狀[49-51]。除了微創(chuàng)植入的潛力外，具有形狀恢復(fù)激活時(shí)產(chǎn)生的恢復(fù)力的SMP支架還可以在骨缺損中提供出色的自適配能力，較小的SMP支架能夠在形狀恢復(fù)(膨脹和擴(kuò)展)后完全匹配骨缺損的邊界[52]。通常，SMP支架的原始形狀適度大于骨缺損的尺寸，從而導(dǎo)致從骨缺損朝向SMP支架的約束力。而骨缺損和支架之間的這種約束已被證明對(duì)骨骼向內(nèi)生長(zhǎng)有促進(jìn)作用[53]。此外，可以通過(guò)調(diào)節(jié)交聯(lián)密度或/和摻入納米顆粒來(lái)滿足骨再生的要求，從而控制SMP支架的孔互連性和力學(xué)性能[54-55]。

聚氨酯(polyurethane,PU)、聚乳酸(polylactic acid,PLA)、聚己內(nèi)酯(polycaprolactone,PCL)等聚合物具有通過(guò)加熱激活的形狀記憶特性，在臨床應(yīng)用中，其獨(dú)特的形狀記憶性能能簡(jiǎn)化一些復(fù)雜的移植手術(shù)過(guò)程。此外，出色的化學(xué)穩(wěn)定性，良好的生物相容性和生物降解性使其在骨組織工程中應(yīng)用更加廣泛。

2.1 形狀記憶聚己內(nèi)酯(PCL)基復(fù)合支架

用于組織工程的具有可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換溫度(大約體溫)的柔性可降解電活性形狀記憶聚合物(electroactive shape memory polymer,ESMP)的開發(fā)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。Deng等[55]基于不同分子量的聚己內(nèi)酯(PCL)和導(dǎo)電性氨基封端的苯胺三聚體，設(shè)計(jì)并合成了一系列具有電活性、超強(qiáng)可拉伸性和可調(diào)節(jié)恢復(fù)溫度的形狀記憶共聚物，并證明了它們具有增強(qiáng)成肌細(xì)胞(C2C12)分化能力的潛力。形狀回復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8(a)～(c)，不同分子量的PCL-AT(aniline trimer)共聚物在15 s內(nèi)均能回復(fù)成原始形態(tài)。此外，為了研究PCL-AT共聚物的自展開能力，將PCL3000-5AT共聚物固定成一個(gè)螺旋形狀(圖8(d))和圓環(huán)狀(圖8(f))，然后在接近體溫的溫度下水浴加熱，逐漸回復(fù)成原始的長(zhǎng)方形(圖8(e)和(g))。這些結(jié)果表明，PCL-AT共聚物具有良好的形狀記憶性能，并在自膨脹植入物的應(yīng)用中具有巨大的潛力。此外，在電活性共聚物薄膜上研究了C2C12成肌細(xì)胞的增殖和分化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，與分子量為80 000的純PCL相比，它們極大地增強(qiáng)了C2C12成肌細(xì)胞的增殖，肌管形成和相關(guān)的成肌分化基因的表達(dá)。這些具有電活性、可高度拉伸、可生物降解和具有接近體溫附近的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的形狀記憶聚合物，在骨骼肌組織工程應(yīng)用中具有巨大潛力。此外，導(dǎo)電聚合物還可以調(diào)節(jié)細(xì)胞行為，例如細(xì)胞粘附、增殖、分化等。

圖8 PCL-AT膜的形狀記憶過(guò)程[55]Fig.8 Shape memory process of PCL-AT membrane[55]

圖9 在PCL80000，PCL3000-5AT，PCL3000-10AT和PCL3000-15AT上培養(yǎng)5 d后C2C12成肌細(xì)胞的細(xì)胞活力[55]Fig.9 Cell viability of C2C12 myoblasts after 5 d of cultivation on PCL80000,PCL3000-5AT,PCL3000-10AT,and PCL3000-15AT[55]

組織工程學(xué)是目前治療臨界尺寸顱頜面部骨缺損最有效的治療方法，但在支架設(shè)計(jì)方面仍需改進(jìn)，可以精確匹配骨缺損不規(guī)則邊界、具有相互連通的多孔結(jié)構(gòu)并且具有良好的生物活性,是促進(jìn)骨組織再生的理想要求。Zhang等[56]通過(guò)SCPL方法對(duì)聚(ε-己內(nèi)酯)(PCL)二丙烯酸酯進(jìn)行光交聯(lián)制備了一種形狀記憶PCL多孔支架。施加生物活性聚合物涂層以涂覆孔壁后，支架整體表現(xiàn)出優(yōu)異的生物活性，明顯促進(jìn)成骨細(xì)胞的粘附、增殖以及成骨相關(guān)基因的表達(dá)量的提高。形狀記憶實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖10，當(dāng)外界溫度大于PCL的熔融溫度時(shí)，支架變軟，延展性增大，施加外力制成不規(guī)則缺陷的臨時(shí)形狀，冷卻后，支架在缺陷內(nèi)固定并保持臨時(shí)形狀，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化填充。為了評(píng)估SMP支架對(duì)成骨細(xì)胞粘附和增殖能力的影響，將成骨細(xì)胞均勻接種并培養(yǎng)在未涂覆的和聚多巴胺涂覆的SMP支架的表面上，培養(yǎng)72 h后，裂解貼壁細(xì)胞，并測(cè)量和比較DNA水平。結(jié)果表明，在聚多巴胺涂覆的SMP支架上的細(xì)胞DNA水平比未涂覆的SMP支架高5倍。細(xì)胞面積測(cè)量結(jié)果與粘附結(jié)果一致，成骨細(xì)胞相對(duì)于未涂覆的SMP支架，在聚多巴胺涂覆的SMP支架表面上擴(kuò)散的程度更大。這種具有自適應(yīng)形變，并具有高生物活性的多孔支架，在臨床治療中有著巨大的應(yīng)用情景，為自適應(yīng)骨組織植入物提供了新的方向。

圖10 聚多巴胺涂覆的形狀記憶多孔PCL支架的自適應(yīng)過(guò)程[56]Fig.10 Self-adaptive process of polydopamine-coated shape memory porous PCL scaffolds[56]

迄今為止，已經(jīng)有一些關(guān)于具有形狀記憶功能的PCL多孔支架的報(bào)道。然而，這些研究主要研究了體外SMP的結(jié)構(gòu)和功能。據(jù)我們所知，很少有研究報(bào)道在體內(nèi)使用形狀記憶多孔支架修復(fù)骨缺損。最近，Liu等[57]制備了一種由化學(xué)交聯(lián)的聚ε-己內(nèi)酯(c-PCL)和HAP納米粒子組成的裝載BMP-2形狀記憶多孔納米復(fù)合材料支架(SMP支架裝載BMP-2)。HAP納米顆粒的引入不僅可以增加支架的機(jī)械穩(wěn)定性并提供良好的骨電導(dǎo)率[58-59]，而且還可以在體內(nèi)獲得高質(zhì)量的微CT支架圖像?；赑CL的形狀記憶支架由于其具有良好的生物相容性和生物可降解性從而備受關(guān)注。Liu等制備的具有可控藥物釋放和形狀記憶行為的支架為骨修復(fù)組織工程支架的設(shè)計(jì)和制造提供基礎(chǔ)。體外形狀記憶結(jié)果顯示，在37 ℃時(shí)，支架能從變形形狀完全恢復(fù)至原始形狀，具有優(yōu)異的形狀記憶效果。此外，Liu等還考察了形狀記憶PCL多孔支架的體內(nèi)展開過(guò)程，為了使動(dòng)物在麻醉后保持溫度，在42 ℃的溫度/泵上進(jìn)行植入操作，載有BMP的SMP納米復(fù)合材料支架的體內(nèi)形狀記憶恢復(fù)過(guò)程見圖11。HAP納米粒子的引入可以像造影劑一樣改善支架的微CT圖像質(zhì)量，使用錐形束計(jì)算機(jī)地形學(xué)掃描了支架，發(fā)現(xiàn)支架在手術(shù)后10 min可以從壓縮形狀恢復(fù)到原始形狀。與體外恢復(fù)過(guò)程不同，支架需要更多的時(shí)間才能在體內(nèi)恢復(fù)其最終形狀，這可能是由于空氣中的傳熱低于水中的傳熱。然而，這種恢復(fù)需要的時(shí)間較多可能是有益的，可為臨床治療提供更多的植入時(shí)間。通過(guò)其與兔骨髓干細(xì)胞的相互作用來(lái)評(píng)估支架的體外細(xì)胞相容性，SEM圖像表明，BMSC細(xì)胞大部分在支架多孔中生長(zhǎng)繁殖，并且細(xì)胞附著良好，能在這些孔的壁表面上擴(kuò)散生長(zhǎng)，支架顯示出良好的細(xì)胞相容性。骨缺損區(qū)域的三維顯微CT圖像和相應(yīng)的骨形成定量分析用于確定SMP作為骨組織工程支架的可行性。CT結(jié)果如圖12所示，與對(duì)照組相比，SMP支架組顯示出更多的骨形成。在對(duì)照組中，只有較少的新生骨沿缺損側(cè)出現(xiàn)，而SMP支架組新生骨占缺損面積的1/3以上。BMP-2的支架組在植入后8周內(nèi)顯示出缺損區(qū)域中新生的骨骼最多，并且填充了一半以上的骨骼缺損區(qū)域。SMP智能支架在非常復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的體內(nèi)環(huán)境中解決大體積支架植入方面具有巨大潛力。因此，該研究為設(shè)計(jì)用于治療或修復(fù)患病的人體器官和組織的多功能組織工程支架植入提供了簡(jiǎn)便的工程策略。

圖11 錐束計(jì)算機(jī)斷層掃描觀察的BMP-2加載SMP支架的體內(nèi)形狀記憶恢復(fù)過(guò)程[57]Fig.11 In vivo shape memory recovery process of BMP-2-loaded SMP scaffold observed using cone beam computed topography[57]

圖12 骨缺損區(qū)域的三維顯微CT圖像[57]Fig.12 3D micro-CT images of bone defect area[57]

2.2 形狀記憶聚氨酯(SMPU)基復(fù)合支架

組織工程是治療骨缺損的有前途的替代方法。但是，需要改進(jìn)支架設(shè)計(jì)以精確匹配骨缺損的不規(guī)則邊界并促進(jìn)臨床應(yīng)用。最近的研究中，Yu等[58]通過(guò)二苯基甲烷4、4,-二異氰酸酯(diphenyl methane-4,4′-diisocyanate,MDI)，己二酸，乙二醇，環(huán)氧乙烷(ethylene oxide,EO)，聚環(huán)氧丙烷(poly[oxy(methyl-1,2-ethanediyl)],PO)，1、4-丁二醇合成新型的形狀記憶聚氨酯(shape memory polyurethane,SMPU)。并通過(guò)鹽粒子浸出法制備了一種SMPU多孔支架，可通過(guò)調(diào)節(jié)鹽粒子的粒徑來(lái)得到不同孔徑的支架，通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)可觀察到0～50,50～110,110～160,160～450 μm不同大小的規(guī)則孔徑。支架的孔隙率在77.13%到83.13%之間。通過(guò)壓縮測(cè)試，熱力學(xué)分析和骨肉瘤MG-63細(xì)胞實(shí)驗(yàn)分析了支架的機(jī)械性能和生物相容性。壓縮測(cè)試表明，隨著支架孔徑的逐漸增大，壓縮后支架的回復(fù)速率也逐漸加快。體外生物學(xué)評(píng)價(jià)中，Yu等[58]將支架分別剪成6 mm×2 mm大小，與MG-63細(xì)胞共混培養(yǎng)于96孔板中，分別培養(yǎng)1、3、5、7 d后通過(guò)MTT測(cè)定細(xì)胞增殖情況。并通過(guò)SEM可觀察到細(xì)胞在支架中的生長(zhǎng)圖像，結(jié)果見圖13，與空白對(duì)照組相比，MG-63細(xì)胞有明顯的增多。該支架不僅具有良好的骨修復(fù)機(jī)械性能、可調(diào)孔徑大小和優(yōu)異的形狀記憶性能，還具有促進(jìn)細(xì)胞增殖的能力。

圖13 不同孔徑大小的SMPU支架的SEM圖像[58]Fig.13 SEM images of SMPU scaffold with different pore sizes[58]

在過(guò)去的幾年中進(jìn)行了大量的研究以檢查SMP的自適應(yīng)行為，但絕大多數(shù)研究主要集中在體外研究上。Baker及其同事[60]開發(fā)了一種基于丙烯酸酯的SMP移植物，該移植物在負(fù)重股骨節(jié)段缺損模型中用作合成骨替代物。然而，為了成功地將SMP應(yīng)用于支架輔助的骨再生中，SMP支架在承重骨修復(fù)中的體內(nèi)自適配功能和骨再生能力值得進(jìn)一步研究。

最近，Xie等[59]通過(guò)氣體發(fā)泡法制備了一種用于承重骨缺損治療的新型聚氨酯/羥基磷灰石基SMP多孔泡沫。在此之前，SMPU已用于治療腦動(dòng)脈瘤栓塞。HAP是骨骼組織的主要礦質(zhì)成分，Xie等充分將HAP的生物活性和SMPU在機(jī)械性能、生物相容性和形狀記憶性能結(jié)合起來(lái)。如圖14所示，通過(guò)兔股骨缺損模型證明了SMP泡沫作為骨支架的微創(chuàng)遞送和自適應(yīng)功能的可行性，植入的SMP泡沫在熱刺激后可能會(huì)從緊密的形狀展開以填充骨缺損部位。micro-CT分析顯示，與空白對(duì)照組相比，SMP泡沫能顯著加快骨修復(fù)。組織學(xué)染色進(jìn)一步表明，SMP泡沫促進(jìn)了新血管形成和隨后的骨重塑，在SMP泡沫中形成了大量的成熟骨。這項(xiàng)研究證明SMP泡沫由于其優(yōu)越的性能而可潛在地作為骨支架治療骨缺損。但是，仍需要更多地研究針對(duì)長(zhǎng)期動(dòng)物模型，以確定將SMP泡沫用于人骨再生的臨床可行性。

圖14 自適應(yīng)SMP泡沫用于骨再生支架的示意[59]Fig.14 Schematic of self-adaptive SMP foam as a bone scaffold for bone regeneration[59]

2.3 形狀記憶聚乳酸(PLA)基復(fù)合支架

聚乳酸(PLA)是一種熱塑性SMP，由于其高彈性模量，相對(duì)較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg(55～65 ℃)，良好的形狀記憶性能使得其在3D打印中廣泛使用。長(zhǎng)PLA鏈通過(guò)物理纏結(jié)可以作為固定相，而纏結(jié)之間的聚合物鏈可以在變形過(guò)程中拉伸成臨時(shí)形狀。Lendlein等[46]詳細(xì)研究了交聯(lián)、化學(xué)改性、添加共聚物等可改善PLA形狀記憶特性(例如恢復(fù)應(yīng)力和應(yīng)變)的方法。近些年來(lái)，形狀記憶PLA在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中受到越來(lái)越多的關(guān)注。

Senatov等[61]先將PLA和質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的HAP共混制備成可熔融絲線，再通過(guò)3D打印機(jī)打印了具有多孔結(jié)構(gòu)的PLA/HAP骨修復(fù)支架。對(duì)3D打印支架的結(jié)構(gòu)特性、機(jī)械性能和形狀記憶效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)估。支架的平均孔徑和孔隙率分別在700 μm和30%左右，能滿足BMSc在支架中生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)需求。由于HAP的加入，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)速度減慢,材料的Tg也相應(yīng)地從53 ℃提高到57 ℃。最大恢復(fù)應(yīng)力可達(dá)到3.0 MPa。形狀記憶實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)直接加熱的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)形狀記憶效應(yīng)，PLA/HAP多孔支架能經(jīng)受連續(xù)3次壓縮-加熱-壓縮的循環(huán)過(guò)程并不會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象(圖15)，形狀恢復(fù)率可達(dá)到98%。在加熱過(guò)程中形狀記憶效應(yīng)會(huì)使骨修復(fù)支架逐漸縮小骨骼裂縫而實(shí)現(xiàn)“自我修復(fù)”，為自體植入物用于小骨缺損治療提供了新的方向。

圖15 通過(guò)壓縮固定3D打印的PLA/HAP支架的臨時(shí)形狀，并在加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上后演示形狀記憶效果[61]Fig.15 Fixing of a temporary shape of a 3D-printed PLA/HA scaffold through compression,and a demonstration of shape memory effect after heating above the glass transition temperature[61]

隨后，Senatov等[62]對(duì)3D打印的PLA/HAP多孔支架進(jìn)行了體外生物學(xué)評(píng)價(jià)。通過(guò)流式細(xì)胞儀檢測(cè)了MSCs是否存在特征性造血和內(nèi)皮標(biāo)記物。MSC通常表達(dá)抗原CD105和CD90：分別為69±17.4和71±23.9。這些細(xì)胞對(duì)白細(xì)胞CD45的典型標(biāo)志物和早期造血細(xì)胞標(biāo)志物CD34呈陰性。光學(xué)顯微鏡顯示出成纖維細(xì)胞呈現(xiàn)紡錘體形態(tài)。細(xì)胞接種24 h后，將近30%的細(xì)胞固定在支架表面，表明在3D打印的多孔支架表面細(xì)胞能快速附著。圖16顯示MSC細(xì)胞廣泛分布并與支架表面形成強(qiáng)相互作用。此外，在支架的橫截面中，顯示出在支架的通道內(nèi)部以及在表面上觀察到聚集的MSC細(xì)胞，表明細(xì)胞以3D方式生長(zhǎng)。通常，細(xì)胞需要牢固粘附到基質(zhì)表面才能擴(kuò)散、增殖和維持細(xì)胞功能。由于PLA/HAP納米復(fù)合材料特殊的化學(xué)組成，3D打印過(guò)程中形成的表面額外微觀結(jié)構(gòu)，較大的表面積和支架的多孔結(jié)構(gòu)為細(xì)胞粘附提供了基礎(chǔ)。3D打印的多孔PLA/HAP支架對(duì)MSC細(xì)胞具有出色的粘合性能，這是其醫(yī)療應(yīng)用的關(guān)鍵前提。

圖16 3D打印PLA/HAP多孔支架表面的MSC細(xì)胞：HE染色[62]Fig.16 MSC colonization of 3D-printed porous PLA/HAP scaffold surface:HE stained[62]

3 當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向

被認(rèn)為是下一代組織工程技術(shù)的4D生物打印，將“時(shí)間”作為第四維納入3D生物打印中，有望構(gòu)建具有按需動(dòng)態(tài)控制的形狀和功能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[63]。在過(guò)去的幾年中，隨著刺激響應(yīng)性生物材料的不斷發(fā)展和對(duì)組織再生的理解逐漸深入，4D生物打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和臨床應(yīng)用中引起了廣泛關(guān)注[64]。例如，4D生物打印技術(shù)在個(gè)性化組織再生領(lǐng)域提供了巨大的應(yīng)用前景，具有編程形狀和尺寸的4D打印植入物將以精確的幾何形狀自適應(yīng)填充缺損部位[65-66]。4D打印后的植入物表現(xiàn)出仿生物的功能特征，促進(jìn)了組織重塑和再生[67-68]。與此同時(shí)，近年來(lái)計(jì)算模型系統(tǒng)的發(fā)展為組織工程的個(gè)性化設(shè)計(jì)提供了新的契機(jī)。4D生物打印的轉(zhuǎn)化特征也可以通過(guò)構(gòu)建自我生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)幫助治療青少年患者。另外，刺激響應(yīng)性材料細(xì)胞組裝和組織重塑技術(shù)可用于藥物遞送和細(xì)胞療法的臨床應(yīng)用[69-71]。一種有效的磁驅(qū)動(dòng)干細(xì)胞輸送系統(tǒng)已被應(yīng)用于脊髓損傷修復(fù)中[72]。同樣，這些刺激響應(yīng)性細(xì)胞載體在體內(nèi)可表現(xiàn)出定向遷移特征，可作為特殊部位損傷修復(fù)的臨床適用載體[73]。綜上所述，4D生物打印的形狀和功能轉(zhuǎn)換特征可以用來(lái)設(shè)計(jì)和控制具有特殊形狀、尺寸、功能、工作部位的打印構(gòu)建體隨時(shí)間的變化，滿足組織工程和臨床應(yīng)用的要求。這些4D生物打印技術(shù)可以為個(gè)性化治療和精準(zhǔn)醫(yī)療提供巨大的潛力，這已被視為組織工程領(lǐng)域的主要趨勢(shì)。雖然已經(jīng)開發(fā)了一系列刺激響應(yīng)的生物材料和多種創(chuàng)新策略，但4D生物打印仍處于起步階段，需要應(yīng)對(duì)多種挑戰(zhàn)。

首先，使現(xiàn)有的刺激響應(yīng)性生物材料可打印并轉(zhuǎn)化成生物“墨水”仍然是挑戰(zhàn)。盡管對(duì)刺激響應(yīng)敏感的生物材料的生產(chǎn)制造進(jìn)行了深入的研究，并且SMP材料的細(xì)胞相容性和體內(nèi)適應(yīng)性也得到了驗(yàn)證，但它們直接應(yīng)用于生物體內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)[74-77]。此外，還需要更多的研究來(lái)解決4D生物打印的多重挑戰(zhàn)，如打印過(guò)程對(duì)細(xì)胞負(fù)載生物支架的負(fù)面影響，以及規(guī)?；透咄可a(chǎn)的可能性。

其次，現(xiàn)有的4D打印結(jié)構(gòu)的變形過(guò)程仍然是簡(jiǎn)單的變形，如折疊或組裝，不能滿足臨床應(yīng)用的復(fù)雜需求。在組織工程的廣泛應(yīng)用中，應(yīng)進(jìn)一步提高對(duì)形狀轉(zhuǎn)換和打印分辨率的精確時(shí)空控制。當(dāng)形狀發(fā)生變化時(shí)，刺激響應(yīng)材料也需要精確控制內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生或釋放。在長(zhǎng)期的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)保持其對(duì)刺激的響應(yīng)能力，而不喪失其獨(dú)特的特性。Raviv等[78]報(bào)道反復(fù)折疊/展開會(huì)導(dǎo)致打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能明顯下降。這些支架只有在有限的情況下才能完全恢復(fù)到原來(lái)的形狀。另外，4D打印結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度通常不足以承受高壓[79]。因此，有必要開發(fā)具有強(qiáng)大的形狀轉(zhuǎn)換特性的4D生物打印結(jié)構(gòu)，尤其是在需要重復(fù)響應(yīng)的情況下。

此外，在進(jìn)一步應(yīng)用于臨床實(shí)踐之前，還需要克服一些局限性。在刺激響應(yīng)機(jī)制方面仍然有大量的限制，不可以用來(lái)觸發(fā)變形過(guò)程。例如，劇烈變化的紫外線水平和pH值可能是不合適的，因?yàn)樗鼈兛赡軐?duì)細(xì)胞生存能力產(chǎn)生負(fù)面影響，而溫度(4～40 ℃)和Ca2+濃度可以改變，但不會(huì)對(duì)活細(xì)胞產(chǎn)生有害影響[79-80]。期望提出相對(duì)溫和的四維轉(zhuǎn)化激發(fā)機(jī)制或刺激，使4D打印技術(shù)對(duì)宿主環(huán)境更加友好。同時(shí)，研究刺激響應(yīng)材料與免疫系統(tǒng)之間的相互作用也很重要，以促進(jìn)4D打印結(jié)構(gòu)與受體部位微環(huán)境之間的整合。另外，人體組織的現(xiàn)實(shí)生理活動(dòng)要復(fù)雜得多，并且細(xì)胞活動(dòng)會(huì)受到多種刺激的影響，例如神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)和自我調(diào)節(jié)。4D打印的生物構(gòu)建體通常在實(shí)現(xiàn)其全部功能之前經(jīng)歷多個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程[81]。因此，制造在多個(gè)刺激下同時(shí)經(jīng)歷復(fù)雜的形狀轉(zhuǎn)換過(guò)程和功能轉(zhuǎn)變的4D打印構(gòu)建體仍然具有挑戰(zhàn)性。

為了實(shí)現(xiàn)組織工程中4D生物打印的精細(xì)程序控制，重要的是引入計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和復(fù)雜的多重刺激響應(yīng)程序以實(shí)現(xiàn)多功能自轉(zhuǎn)換支架的制造。麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的Project Cyborg軟件平臺(tái)，可提供模擬自組裝和可編程材料以及優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的功能。然而，這些刺激響應(yīng)性和可編程生物材料的成本是昂貴的，并且使用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)制造這種智能支架會(huì)更為困難。因此，在骨組織工程中如何深入地將4D打印技術(shù)與SMP智能材料有機(jī)的結(jié)合起來(lái)仍具有挑戰(zhàn)性。

4 結(jié) 論

盡管針對(duì)傳統(tǒng)聚合物在治療骨缺損治療的應(yīng)用進(jìn)行了大量新穎的研究，但臨界尺寸的骨缺損的患病率卻越來(lái)越高，臨床治療仍然存在巨大挑戰(zhàn)，包括定制支架降解速度，結(jié)構(gòu)仿生學(xué)不足，支架血管化不夠充分和支架生產(chǎn)規(guī)模小。越來(lái)越多的研究使用具有生物活性的聚合物復(fù)合材料來(lái)制造三維支架，已經(jīng)有效地實(shí)現(xiàn)了將材料理想的機(jī)械性能和細(xì)胞生物特性結(jié)合到組織工程的構(gòu)造中，取得了巨大進(jìn)展。

SMP具有形狀記憶效應(yīng)的獨(dú)特屬性，包括形狀展開、形狀恢復(fù)和形狀自適應(yīng)，因此SMP在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，以滿足新型外科和醫(yī)療設(shè)備對(duì)材料特殊功能的需求。由于設(shè)計(jì)多樣性高，可以通過(guò)改變其化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)來(lái)開發(fā)各種生物醫(yī)學(xué)形狀記憶材料，以滿足各種應(yīng)用的需求。此外，除了在溫度的直接或間接驅(qū)動(dòng)下，SMP還可通過(guò)pH、溶液、光甚至是多物理場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。具有形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect,SME)和雙向SME的SMP在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α＝Y(jié)合其良好的生物相容性、生物降解性、簡(jiǎn)單有效的刺激方式和多種SME，SMP有望在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

4D生物打印技術(shù)同其他技術(shù)相比可對(duì)構(gòu)造微體系結(jié)構(gòu)提供越來(lái)越精確的控制。當(dāng)與不斷發(fā)展的生物活性材料、新型的形狀記憶材料、生長(zhǎng)因子、功能化4D打印技術(shù)和仿生支架設(shè)計(jì)相結(jié)合時(shí)，為患者制造個(gè)性化量身定制的復(fù)雜骨組織工程支架的潛力是巨大的。這也為治療各種挑戰(zhàn)性疾病提供了希望，包括骨質(zhì)疏松癥和嚴(yán)重的骨缺損。

但為了在將來(lái)能實(shí)現(xiàn)最大化的促進(jìn)新骨形成，除了增加構(gòu)建體的血管形成，還要保證細(xì)胞在支架表面以及內(nèi)部更加緊密的增殖分化。這些往往需要通過(guò)對(duì)生物材料的進(jìn)一步修飾、支架的制造方法的改進(jìn)和模型設(shè)計(jì)精確程度來(lái)實(shí)現(xiàn)。還需要更有效的方法來(lái)簡(jiǎn)化細(xì)胞分離、培養(yǎng)和接種到骨支架中的過(guò)程。隨著傳統(tǒng)聚合物材料性能的不斷改良，形狀記憶聚合物的變形性能的自適應(yīng)設(shè)計(jì)，制造方法的不斷發(fā)展，希望將來(lái)能夠以越來(lái)越具有低成本、無(wú)毒且高效的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)體患者的個(gè)性化治療。