3D打印骨組織支架孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)支架性能影響的研究進(jìn)展

張偉蒙，汪 杰，胡 晶

（北京工商大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，北京 100048）

0 前言

骨缺損是臨床上常見的疾病，雖然骨組織具有骨再生能力，能夠自我愈合，但當(dāng)損傷嚴(yán)重時(shí)，則必須借助外力進(jìn)行修復(fù)[1?2]。當(dāng)傳統(tǒng)的骨移植技術(shù)受到供體來源不足、免疫排斥等問題的制約時(shí)[3]，骨組織工程學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，通過使用人工骨支架代替骨移植，以“誘導(dǎo)成骨”的方式，實(shí)現(xiàn)了骨的修復(fù)和再生[4?5]。3D打印技術(shù)也因?yàn)榫哂锌焖?、個(gè)性化和自動(dòng)化的優(yōu)勢，而備受骨組織工程的青睞。在3D打印前可以通過模型設(shè)計(jì)，方便的實(shí)現(xiàn)骨支架結(jié)構(gòu)的調(diào)整，為模仿天然骨支架的構(gòu)造、實(shí)現(xiàn)支架與患者缺損或病變部位的匹配，為患者設(shè)計(jì)個(gè)性化骨組織替代物提供了可能[6?11]。

骨組織支架作為細(xì)胞、營養(yǎng)液、組織液的載體，為骨細(xì)胞的黏附和增殖提供了合適的微環(huán)境，供細(xì)胞的生長、營養(yǎng)的遷移、氧氣的擴(kuò)散和廢物的清除[10，12?13]。影響骨組織修復(fù)再生的因素較多，其中材料的生物相容性、生物活性、可塑性、骨誘導(dǎo)性和力學(xué)穩(wěn)定性對(duì)骨組織愈合有重要影響[14?16]，應(yīng)用最為廣泛的組織修復(fù)材料包括金屬材料、生物陶瓷材料、聚合物材料（如天然聚合物材料、高分子聚合物材料）和多種材料構(gòu)成的復(fù)合材料[14?18]，選擇合適的材料可以提高支架的韌性、強(qiáng)度、生物相容性等[16]。使用3D打印制造支架的過程中，打印參數(shù)（包括分層厚度、打印路徑、打印速度、打印氣壓、噴頭溫度、噴頭內(nèi)徑等）對(duì)支架的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及生物相容性等方面都有重要影響[19?24]。通過優(yōu)化關(guān)鍵工藝參數(shù)，可制備出多種材料復(fù)合、宏觀形貌良好、孔隙結(jié)構(gòu)均勻、生物相容性良好的支架[25]。目前在這些方面已有大量的總結(jié)[5，26?30]。但在骨支架的孔隙結(jié)構(gòu)方面，相關(guān)研究較多，但未見系統(tǒng)性歸納。骨支架的孔隙結(jié)構(gòu)主要受支架孔隙形狀、表面粗糙度、孔徑大小、孔隙率、孔隙內(nèi)部的連通性等要素的影響[8，12，31]?？紫缎螤詈捅砻娲植诙葘?duì)細(xì)胞黏附、生長、轉(zhuǎn)移、分化等行為有影響；適當(dāng)?shù)目讖酱笮?duì)血管生成和骨長入有促進(jìn)作用；孔隙率則會(huì)影響支架的滲透率和力學(xué)性能；支架內(nèi)部孔的連通結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞生長很重要，會(huì)影響組織再生的過程和路徑；通孔有利于營養(yǎng)物質(zhì)和分子運(yùn)輸?shù)街Ъ艿膬?nèi)部、促進(jìn)細(xì)胞的生長、利于天然骨的形成。由此可見支架孔隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是影響骨組織修復(fù)的主要因素[25，32]。應(yīng)用3D打印技術(shù)制備骨組織支架，能夠通過調(diào)節(jié)打印參數(shù)，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)支架孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)整，從而為支架微空間設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)提供了可能[7，33?34]。

本文綜述了現(xiàn)有研究中針對(duì)骨組織支架微空間設(shè)計(jì)的成果，以及他們的3D打印應(yīng)用。分別從孔隙形狀、孔徑大小、孔隙率、表面粗糙度、連接通路五方面概括了支架孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)人工骨支架成骨性能的影響，以期為更合理的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 孔隙形狀的影響

孔隙形狀對(duì)支架的空間分布、細(xì)胞黏附、轉(zhuǎn)移等行為都有影響?？紫缎螤钔ǔ０▓A形、方形、三角形和蜂窩形等，孔隙形狀不同，支架的幾何單元結(jié)構(gòu)也不同。將一定形狀的幾何單元在空間進(jìn)行周期性排列，就能得到孔隙形狀規(guī)則的骨支架結(jié)構(gòu)，這也是骨組織支架常用的模型建立方式[35]。但是這種方式建立的模型和實(shí)際骨頭的結(jié)構(gòu)差別較大，導(dǎo)致支架的成骨性能和滲透性能無法滿足要求[2，16，36]。所以有研究將更復(fù)雜的單元結(jié)構(gòu)如柏拉圖和阿基米德多面體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及通過計(jì)算迭代出的最接近人骨真實(shí)結(jié)構(gòu)的形狀應(yīng)用在了支架設(shè)計(jì)上，如圖1所示，以增強(qiáng)骨支架的力學(xué)行為[37?38]。另有學(xué)者通過對(duì)孔隙形狀進(jìn)行分層、分級(jí)設(shè)計(jì)，將不同的形狀和梯度應(yīng)用到支架中，促進(jìn)營養(yǎng)的運(yùn)輸、骨細(xì)胞的生長，從而選擇出最優(yōu)的骨支架結(jié)構(gòu)[39]。

圖1 簡單的支架結(jié)構(gòu)[38]Fig.1 Simple scaffold structure[38]

傳統(tǒng)方法制備的多孔支架孔隙形狀通常是隨機(jī)的，難以定量分析與制造，通過3D打印技術(shù)可以控制孔隙形狀及其排列，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目的。所以有不少學(xué)者基于3D打印工藝，研究了不同單元形狀結(jié)構(gòu)對(duì)支架性能的影響。通過研究圓形和方形單元結(jié)構(gòu)支架的壓縮和降解過程，發(fā)現(xiàn)方形多孔結(jié)構(gòu)邊緣尖銳，會(huì)產(chǎn)生高的集中應(yīng)力，彈性模量較低，并且隨時(shí)間變化方形支架的降解與骨結(jié)構(gòu)的生長會(huì)發(fā)生干涉，不利于骨細(xì)胞發(fā)育，相比而言圓形單元結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能和降解性能上更加優(yōu)良[40?41]。Hollister等[42]發(fā)現(xiàn)圓形孔隙單元支架與方形孔隙單元支架植入一段時(shí)間后，在骨向內(nèi)生長方面沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。Gong等[43]對(duì)三角形孔隙單元支架與圓形孔隙單元支架進(jìn)行抗疲勞性能測試，發(fā)現(xiàn)圓形孔支架中應(yīng)力分布均勻，沒有應(yīng)力集中，抗疲勞性能突出。邵惠鋒等[2]對(duì)矩形孔結(jié)構(gòu)與蜂窩形孔結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行力學(xué)性能研究，結(jié)果表明蜂窩形結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度優(yōu)于矩形結(jié)構(gòu)單元支架，約為矩形單元支架壓縮強(qiáng)度的近2倍。Theodoridis等[44]制造了3種具有不同堆疊結(jié)構(gòu)的聚己內(nèi)酯支架，如圖2（a）所示，分別是直線層循環(huán)的支架（MESO）、45°旋轉(zhuǎn)層循環(huán)的支架（RO45）和蜂窩形單元與矩形單元相結(jié)合的支架（3DHC）。通過比較3種支架上脂肪組織源性間充質(zhì)干細(xì)胞（ADMSCs）的透明軟骨發(fā)育，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過26天的培養(yǎng)，3DHC支架中細(xì)胞的增殖和滲透分布較前兩種支架更加均勻，如圖2（b）所示。這是由于3DHC支架特殊的幾何形狀，有利于更多的細(xì)胞進(jìn)入支架并迅速擴(kuò)散到內(nèi)部。在力學(xué)測試中，3DHC支架的壓縮模量增加幅度最大，增加了7倍，如圖2（c）所示。這與3DHC支架具有較大的孔徑有關(guān)，有助于細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）填補(bǔ)孔隙，進(jìn)行孔隙間的連接，從而充滿整個(gè)結(jié)構(gòu)。所以3DHC支架結(jié)構(gòu)細(xì)胞增殖最快，在軟骨形成過程中力學(xué)性能提高最明顯。對(duì)于不同孔隙形狀對(duì)骨長入的影響需要進(jìn)一步研究。Tang等[45]發(fā)現(xiàn)不同孔隙形狀和孔徑的單元組合可以改變支架的彈性模量、增強(qiáng)其力學(xué)性能。

圖2 支架的結(jié)構(gòu)與性能[44]Fig.2 Structure and performance of the scaffolds[44]

骨支架不僅需要承受受損部位的外力，還需要滿足細(xì)胞增殖的要求。Liang等[46]從壓縮性能、細(xì)胞增殖和黏附性等方面，對(duì)孔隙率為70%的三周期最小表面?schwarz基元（P）、體心立方（BCC）和立方孔形（CPS）單元結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)立方孔形（CPS）單元結(jié)構(gòu)支架抗壓強(qiáng)度最高，支架的細(xì)胞代謝也最活躍。孔隙單元的幾何形狀可以改變支架的滲透系數(shù)，進(jìn)而影響營養(yǎng)運(yùn)輸和支架降解[47]。天然骨結(jié)構(gòu)具有個(gè)性化，其結(jié)構(gòu)單元通常也是多種孔隙單元的復(fù)合，因此可以通過幾何表示法來建立支架模型，從而展現(xiàn)出天然骨骼的不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)[35]，如雙孔單元結(jié)構(gòu)與梯度單元結(jié)構(gòu)。Cho等[48]發(fā)現(xiàn)雙孔單元結(jié)構(gòu)支架具有優(yōu)異的力學(xué)性能和體外細(xì)胞活性。Kou等[33]采用梯度單元結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行研究，因發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的增殖和黏附與孔隙大小和形狀有關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種大孔隙的四邊形與小孔隙的三角形單元相結(jié)合的支架結(jié)構(gòu)，大孔隙的四邊形在內(nèi)部獲取營養(yǎng)物質(zhì)，小孔隙的三角形在外部可以增加細(xì)胞的接觸和分化，促進(jìn)骨細(xì)胞的生長，從而得到一種能夠促進(jìn)組織再生的功能梯度結(jié)構(gòu)。梯度單元結(jié)構(gòu)孔隙形狀更接近天然骨，形狀的結(jié)合和分布對(duì)骨生長的影響還需要更深入的研究。

2 孔徑大小的影響

孔徑大小對(duì)成骨進(jìn)程中物質(zhì)傳遞的速率、細(xì)胞的生長等有重要影響[3]。它與孔隙率共同影響支架內(nèi)細(xì)胞的黏附、生長、遷移和分化。據(jù)報(bào)道，支架中適當(dāng)?shù)目讖匠叽鐚?duì)于血管生成和骨長入至關(guān)重要[49]?？讖叫〉沫h(huán)境有利于細(xì)胞在缺氧下生長，可以在成骨之前先形成軟骨，而孔徑大的環(huán)境對(duì)細(xì)胞、營養(yǎng)的流動(dòng)有促進(jìn)作用[36，50?52]。

學(xué)者們對(duì)不同范圍的孔徑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)支架的力學(xué)性能隨孔徑的變化不同。Hung等[34]對(duì)孔徑在150～200、250～300、300～350 μm范圍的普通支架進(jìn)行研究，結(jié)果顯示孔徑約為200μm的支架具有最高的強(qiáng)度，對(duì)于普通支架，孔徑越小，結(jié)構(gòu)越致密，支架的機(jī)械強(qiáng)度越大。Qin等[50]對(duì)具有彈塑性變形的支架進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)孔徑為720 μm的支架比600 μm和480 μm支架具有更高的抗壓強(qiáng)度，對(duì)具有彈塑性變形的支架而言，隨著孔徑的增大，力學(xué)性能隨之增大。

有研究發(fā)現(xiàn)支架孔徑越小受變形影響越大，孔隙的形狀更容易塌陷，細(xì)胞血管化程度低。當(dāng)支架孔徑增大時(shí)，表面積和曲率逐漸減小，細(xì)胞增殖能力和細(xì)胞活力逐漸增強(qiáng)[53]。Narra 等[54]對(duì)孔徑為440、540、700 μm的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果表明孔徑為440 μm時(shí)受變形影響最大，隨著變形的增加，支架在邊界變形越明顯。Taniguchi等[55]也得到類似的結(jié)論，在恒定孔隙率下研究了孔徑為300、600、900 μm的支架，孔徑為600、900 μm的孔隙得到了很好的控制，而孔徑為300 μm的孔隙部分塌陷；孔徑為300 μm的支架雖然有大的表面積和曲率但其細(xì)胞血管化的程度低，600 μm的孔徑因有較高的曲率使得骨向內(nèi)生長快，支架的固定能力強(qiáng)。Wang等[53]設(shè)計(jì)了孔徑為800、900、1 000 μm的支架，發(fā)現(xiàn)孔徑為1 000 μm的多孔支架能更好地促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的黏附、增殖和成骨分化。Velioglu等[56]研究了孔徑尺寸為0.5、1.0 、1.25 mm的支架，同樣也發(fā)現(xiàn)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在孔徑大的支架上增殖較多[56]。有學(xué)者[11，57?59]認(rèn)為接近 300μm的孔徑具有更高的滲透性和血管化潛力，有助于成骨。然而，Entezari等[3]認(rèn)為支架孔徑在390～590 μm范圍內(nèi)更有利于提高成骨效果。最佳的孔徑尺寸，需要針對(duì)特定的細(xì)胞類型和培養(yǎng)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同類型的細(xì)胞所需要的最佳孔徑不同[1，16]。

在細(xì)胞血管化和骨組織生長的能力上，孔徑不規(guī)則的支架比孔徑規(guī)則的支架表現(xiàn)更優(yōu)異。不規(guī)則結(jié)構(gòu)具有高的曲率和大的三維空間，更有利于骨組織和血管的生長和再生。研究表明[40]不同孔徑組合下的剛度增加，會(huì)有更高的彈性模量，小的孔徑促進(jìn)細(xì)胞黏附、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞、細(xì)胞增殖和遷移；而大的孔徑促進(jìn)血管生成、基質(zhì)聚集和組織形成[7]。Entezari等[3]采取大孔和小孔交替的雙峰孔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在骨生長過程中，孔徑越大滲透率越高，增強(qiáng)了新骨的體積和功能。在孔隙率不變的情況下，雙峰型孔隙拓?fù)渑c孔隙均勻結(jié)構(gòu)的差別使其可以產(chǎn)生更大的孔隙，支架的力學(xué)性能得到改善，增強(qiáng)骨的再生能力[3]。為了構(gòu)建與人體骨骼相似的支架，有研究者提出微觀納米、微米和宏觀尺度可控結(jié)構(gòu)的支架[27]。Sudarmadji等[60]指出連續(xù)孔徑梯度的支架，如圖3所示，具有同心排列的圓柱形結(jié)構(gòu)[60]，孔徑隨徑向距離的增大而減小，孔隙率隨著孔徑的減小而減小，使支架中心處孔徑大，越往外孔徑越小，支架越堅(jiān)硬。

圖3 孔徑梯度變化結(jié)構(gòu)[60]Fig.3 Pore size gradient change structure[60]

3 孔隙率的影響

孔隙率是指空隙體積與支架總體積的比值，孔隙率影響骨相關(guān)細(xì)胞的移動(dòng)、局部pH穩(wěn)定性和新血管的形成[61]?？紫堵试酱?，滲透率越高，為組織填充和營養(yǎng)物質(zhì)流動(dòng)提供了更多的空間[62]，從而促進(jìn)細(xì)胞的黏附，利于骨整合[63]，但結(jié)構(gòu)的密度和力學(xué)性能降低；較小的孔隙率滲透率低，需要的材料多[39，64]，應(yīng)力隨應(yīng)變的振蕩幅度小，結(jié)構(gòu)剛度大[39]。支架的剛度可以通過調(diào)節(jié)孔隙率來改變[60]?？紫堵蔬^高或過低都不利于細(xì)胞黏附[65]，孔隙率太高導(dǎo)致支架表面減少，不利于細(xì)胞黏附；孔隙率太小會(huì)阻礙組織細(xì)胞向內(nèi)生長[65]。

孔隙率與支架的結(jié)構(gòu)和性能息息相關(guān)。Zhang等[66]探究了力學(xué)性能和孔隙率的關(guān)系，設(shè)計(jì)了具有不同哈弗斯管、哈弗斯管直徑和沃克曼管的支架模型，如圖4所示。支架孔隙率隨著哈弗斯管數(shù)量、直徑和沃克曼管數(shù)量的增加而增加，抗壓強(qiáng)度隨之隨著數(shù)量的增加而下降，隨著哈弗斯管直徑的增加，抗壓強(qiáng)度先增強(qiáng)后降低，壓縮模量也隨著沃克曼管數(shù)量的增加而降低。此外孔隙排布方式相同時(shí)，孔隙形狀也會(huì)影響支架孔隙率。Wang等[65]研究了孔隙形狀和孔隙率之間的關(guān)系，分別設(shè)計(jì)了三角形棱柱、四邊形棱柱和六邊形棱柱為單元的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支架，結(jié)果表明，四邊形棱柱內(nèi)部孔隙尺寸較大，孔隙率較高。Montazerian等[67]研究了不同孔徑大小分布造成的孔隙率梯度的支架，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)徑向梯度孔隙分布與均勻孔隙率的支架相比，具有更高的彈性模量和流體滲透性[67]。楊文靜等[68]對(duì)內(nèi)部連通結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，建立了不同孔隙率的支架結(jié)構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)支架的最大變形隨著孔隙率的增大而增大。

圖4 模擬支架與Haversian管、Volkmann管和松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)結(jié)合，基于多細(xì)胞輸送系統(tǒng)，有助于形成新骨和新血管[66]Fig.4 The simulated scaffold，combined with haversian tube，Volkmann tube and cancellous bone structure，based on a multicellular delivery system，helping to form new bones and new blood vessels[66]

圖5 具有不同形狀、孔徑大小、孔隙率的支架結(jié)構(gòu)[67]Fig.5 Scaffold structures with different shapes，pore sizes and porosity[67]

除此之外，科研人員還研究了表面積與孔隙率之間的關(guān)系，理想的結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有大的表面積，利于細(xì)胞黏附、增殖，促進(jìn)新骨生成[69?70]。有研究表明單一類型大孔的支架具有相對(duì)較小的孔隙率和表面積，雖然支架中心有新的骨組織形成，但輸送給活細(xì)胞的氧氣和營養(yǎng)較少，導(dǎo)致骨缺損內(nèi)部的骨形成不足[71?72]。Luo等[73]應(yīng)用改良的同軸3D打印來制備具有大孔和多取向空心通道的空心支柱（HSP）生物陶瓷支架。如圖6所示，HSP支架具有獨(dú)特的空心結(jié)構(gòu)，新骨組織不僅在HSP支架的大孔中生長，而且還沿著支架的中空通道生長，具有高的孔隙率、大的表面積和顯著的力學(xué)性能，改善了細(xì)胞的黏附和增殖，促進(jìn)新骨的形成。劉暢等[74]也采用了改良同軸3D打印技術(shù)，制備了空心管道的鎂黃長石支架，發(fā)現(xiàn)在體外模擬血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于大塊骨缺損修復(fù)過程中的快速血管化。另有研究表明支架的孔隙率和表面體積比不應(yīng)太大，否則會(huì)削弱其力學(xué)性能[75]。Jensen等[69]設(shè)計(jì)了多層多孔形態(tài)的支架，模擬天然骨骼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞黏附和增殖需要大表面積的特征，以適應(yīng)分化和骨組織的形成，將納米結(jié)構(gòu)的孔隙融入到PCL支架中，擴(kuò)大其表面積來提高成骨的潛力。而當(dāng)生物陶瓷上具有納米結(jié)構(gòu)的表面，可以應(yīng)用水熱處理和模擬體液（SBF）浸泡的方法刺激干細(xì)胞成骨和骨細(xì)胞再生[76]。

圖6 空心支撐結(jié)構(gòu)支架[73]Fig.6 Hollow support structure scaffold[73]

模擬天然骨的結(jié)構(gòu)，也是仿生骨研究的一個(gè)重要方向。人類骨骼的表層是密質(zhì)骨，孔隙率約3%～5%，致密且堅(jiān)硬，為主要的骨支撐單元；內(nèi)部為松質(zhì)骨，孔隙率約為50%～90%，主要是由骨小梁構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[16]。Isaacson 等[77]通過3D打印制備了孔隙率為60%、70%和80%的羥基磷灰石陀螺儀支架，壓縮試驗(yàn)表明60%和70%多孔陀螺的極限抗壓強(qiáng)度與人類松質(zhì)骨相當(dāng)。Gregor等[8]通過研究兩種支架結(jié)構(gòu)中骨肉瘤細(xì)胞的增殖情況，發(fā)現(xiàn)30%孔隙率的支架與50%孔隙率的支架具有相同細(xì)胞增殖和骨傳導(dǎo)的效果。有學(xué)者通過大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)70%左右的支架孔隙率有利于細(xì)胞黏附和生長[37，78?79]。此外也有學(xué)者設(shè)計(jì)了多種具有與真骨結(jié)構(gòu)類似、孔隙率梯度分布的而仿生骨結(jié)構(gòu)。Limmahakhun等[80]在支架的結(jié)構(gòu)中引入了徑向分級(jí)和軸向分級(jí)，發(fā)現(xiàn)徑向分級(jí)可以改善相鄰骨骼的應(yīng)力分布，從而提高支架的機(jī)械強(qiáng)度。Di Lu?ca等[81]設(shè)計(jì)了具有梯度孔隙率的支架，由外到內(nèi)的孔隙率依次為29.6%±5%、50.8%±8.1%和77.6%±3.2%，結(jié)果表明，模仿天然骨結(jié)構(gòu)，優(yōu)化支架的孔隙率和孔徑，有利于細(xì)胞的分化和骨組織的礦化。

4 表面粗糙度的影響

支架的表面形貌對(duì)避免支架松動(dòng)和下沉至關(guān)重要[55]。衡量表面形貌的重要參數(shù)是粗糙度，因此具備適當(dāng)?shù)拇植诙仁潜匾?。粗糙表面可以通過增加礦化和基因表達(dá)來刺激細(xì)胞的黏附、生長、遷移和分化[8，63，70，82?83]。

支架表面的粗糙度對(duì)不同細(xì)胞的形態(tài)和增殖有直接影響[61，84]。支架的宏觀粗糙度（100 μm～1 mm）有助于較大細(xì)胞的附著或擴(kuò)散[70]。微觀粗糙度（100 nm～100 μm）可以改善細(xì)胞的成骨分化[8]。較小的細(xì)胞易在小于100 nm納米級(jí)的表面粗糙度上黏附和生長[61，85]。已有研究發(fā)現(xiàn)支架表面為凹面時(shí)，更有利于細(xì)胞黏附和增殖[63]。支架內(nèi)有相互連接的微通道，微通道表面的粗糙度對(duì)流體的動(dòng)力起到不可忽略的作用。Ali等[86]使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）研究了支架的壁面粗糙度對(duì)骨支架滲透性和壁面剪切應(yīng)力（WSS）的影響，發(fā)現(xiàn)粗糙度大的支架滲透性低、壁面剪切應(yīng)力小。

許多學(xué)者通過酸蝕、添加陶瓷顆粒、等離子體處理、堿處理、納米化處理等方式來提高表面粗糙度，使支架具有良好的生物相容性，與缺損部位匹配，引導(dǎo)骨生長，維持穩(wěn)定，使之不易脫落[83]。Wang 等[65]通過酸蝕在支架表面形成凹坑，為細(xì)胞提供了附著點(diǎn)，淺凹坑中細(xì)胞的黏附與凹坑的跨度有關(guān)，當(dāng)跨度小于100 μm時(shí)，細(xì)胞直接穿過在凹坑生長；當(dāng)跨度大于100 μm時(shí)，細(xì)胞黏附在表面，避開尖銳和凸出的位置生長。有研究發(fā)現(xiàn)支架表面羥基磷灰石（HA）含量越高，表面粗糙度也越高，Wang等[87]進(jìn)行了驗(yàn)證，將不同含量HA的PCL支架進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X光譜（EDX）測試，通過EDX分析了支架表面元素含量的變化，顯示鈣（Ca）和磷（P）隨著HA含量的增加而增加，表明HA含量越高，表面越粗糙，如圖7所示。Yeo等[88]也發(fā)現(xiàn)添加HA后，材料的表面粗糙度和親水性發(fā)生變化。Murab 等[89]研究了PCL支架與TCP?PCL支架，因TCP顆粒突出，TCP?PCL支架具有粗糙的表面[89]，提高了支架上細(xì)胞黏附和增殖。Serra 等[90]制備了PLA?PEG支架，發(fā)現(xiàn)PEG的添加使支架表面產(chǎn)生不規(guī)則突起，提高了支架的潤濕性和降解率。Jeon等[91]采用了氧等離子體處理方法，誘導(dǎo)PCL支架產(chǎn)生可控的納米級(jí)表面粗糙度，從而提高支架的生物相容性。Fonseca等[92]使用氫氧化鈉（NaOH）進(jìn)行表面處理，形成了更粗糙的表面，增加支架表面的親水性，促進(jìn)細(xì)胞的黏附。Yeo等[88]用NaOH預(yù)處理PCL?TCP支架，支架基質(zhì)表面積和粗糙度增加，增強(qiáng)了成骨細(xì)胞生長能力，提高了生物材料的骨傳導(dǎo)性。

圖7 針對(duì)6組支架表面的SEM照片[87]Fig.7 SEM for six groups of scaffold surfaces[87]

5 連接通路的影響

支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)存在封閉的孔和連通的孔[93]，封閉的孔會(huì)出現(xiàn)若干交錯(cuò)的孔棱，利于細(xì)胞的黏附和增殖[20]，但孔隙間互相不連通，不利于骨細(xì)胞的滲入生長[94]，影響支架的力學(xué)性能[93]；連通的孔利于支架上細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的形成，支架通過連接的通路，模仿細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境，進(jìn)行營養(yǎng)運(yùn)輸、氧氣交換，維持細(xì)胞活力，避免過度擁擠，促進(jìn)細(xì)胞遷移，引導(dǎo)新組織向內(nèi)生長[11，61，63，65，75，95?97]。然而，細(xì)胞在支架孔隙中的生長方向?yàn)樗闹芟騼?nèi)[98]；在支架結(jié)構(gòu)內(nèi)的生長方向與支架的連接通路有關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為凹的表面可加快細(xì)胞的增殖，彎曲的非正交通路利于細(xì)胞生長。在細(xì)胞生長過程中，支架通過不斷降解形成新的組織。不同的連接通路可提供不同的降解過程，為骨再生提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的生長空間。

Boccaccio等[99]預(yù)測骨骼的形成，發(fā)現(xiàn)骨的形成從孔壁開始向孔中心生長，如圖8所示。相互連通的多孔結(jié)構(gòu)支架為骨細(xì)胞的生長提供空間，可作為組織再生的模板，提供適合特定組織的環(huán)境；有研究表明，高連通孔隙率的支架更適合組織再生，但力學(xué)性能欠缺[94，100?101]。支架的力學(xué)性能與微孔道的分布息息相關(guān)，微孔道[68]是給細(xì)胞運(yùn)輸營養(yǎng)液的管道，骨細(xì)胞將在這些流道中生長，如圖9所示。楊文靜等[68]對(duì)微孔道逐層細(xì)化，如圖10所示，使支架的微孔分布逐漸趨于均勻，從而使得支架的變形和應(yīng)力趨于均勻分布，微孔細(xì)化區(qū)域應(yīng)力較小。

圖8 預(yù)測支架孔內(nèi)骨形成的區(qū)域[99]Fig.8 Predicting the area of bone formation in the scaffold hole[99]

圖9 內(nèi)部微孔道結(jié)構(gòu)（a）和支架結(jié)構(gòu)模型（b）[68]Fig.9 The internal microporous channel structure（a）and the scaffold structure model（b）[68]

圖10 不同微孔道結(jié)構(gòu)的細(xì)化[68]Fig.10 Refinement of different micro?pore channel structures[68]

Foroughi等[39]將球形孔的面心立方結(jié)構(gòu)與常規(guī)的正交圓柱結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行力學(xué)性能比較，發(fā)現(xiàn)球形孔的面心立方結(jié)構(gòu)具有漸變的界面，可以減小應(yīng)力集中，使機(jī)械載荷分布的更加均勻，如圖11所示。結(jié)果表明，支架內(nèi)部凹的表面為細(xì)胞的增殖提供了更好的環(huán)境，細(xì)胞增殖率高?？蒲腥藛T對(duì)支架的設(shè)計(jì)進(jìn)行了很多研究，發(fā)現(xiàn)具有90°彎曲的通路比非彎曲通路更能加快成骨細(xì)胞生長，即設(shè)計(jì)支架的內(nèi)部通路遵循正交模式，無法達(dá)到天然骨的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[61，92，102]。為了設(shè)計(jì)更接近人體骨組織結(jié)構(gòu)的支架，F(xiàn)onseca等[92]制備了非正交結(jié)構(gòu)的支架，具有獨(dú)特彎曲幾何形狀的圓形結(jié)構(gòu)支架和正弦型結(jié)構(gòu)支架，如圖12所示，通過評(píng)估支架的形態(tài)和力學(xué)行為得出非正交結(jié)構(gòu)具有較高的彈性模量值。支架內(nèi)部引入較少的正交結(jié)構(gòu)，可以更好地模擬組織細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），在成骨方面具有積極影響。Dou等[103]研究分層梯度降解的支架，支架的大孔結(jié)構(gòu)在早期起到增強(qiáng)細(xì)胞黏附和增殖的作用，隨著支架的快速降解，在連接的通路中，為骨再生提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的生長空間[104]。Di Luca 等[105]也研究了梯度支架，制備了沿軸向離散孔徑梯度的支架。對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）的增殖、細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）沉積和軟骨細(xì)胞的分化進(jìn)行了評(píng)價(jià)。發(fā)現(xiàn)hMSCs的增殖分化與連接通路相關(guān)，連接通路的不同會(huì)導(dǎo)致營養(yǎng)的運(yùn)輸出現(xiàn)局部梯度，利于新生骨的生長。

圖11 球形孔的面心立方結(jié)構(gòu)與常規(guī)的正交圓柱結(jié)構(gòu)模型圖及有限元分析云圖[39]Fig.11 Model diagram and finite element analysis cloud diagram of face centered cubic structure of spherical hole and conventional orthogonal cylindrical structure[39]

圖12 SEM顯微照片[92]Fig.12 SEM micrographs[92]

6 結(jié)語

本文綜述了3D打印骨組織支架孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)支架性能的影響，3D打印技術(shù)可以方便、快捷的制備個(gè)性化的骨組織支架，由于人體骨骼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性需要對(duì)支架結(jié)構(gòu)的孔隙形狀、孔徑大小、孔隙率、表面粗糙度、連接通路等方面進(jìn)行研究，來提高骨組織再生的力學(xué)性能、成骨性能、降解性能、生物活性等，現(xiàn)就當(dāng)前的研究得出以下幾個(gè)結(jié)論加以參考：

（1）對(duì)孔隙形狀、孔徑大小、孔隙率進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)，制備中空結(jié)構(gòu)支架，使支架結(jié)構(gòu)的孔隙形狀更接近天然骨，從而提高骨組織再生的力學(xué)性能、成骨性能、降解性能等。

（2）增大表面粗糙度，改善細(xì)胞的黏附和增殖，進(jìn)一步提高骨傳導(dǎo)性，促進(jìn)新骨的形成。

（3）設(shè)計(jì)非正交連接通路的結(jié)構(gòu)，形成分層梯度的支架，提高骨組織再生的降解性能，為后期骨再生提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的生長空間。

在孔隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中還存在諸多問題，只考慮了結(jié)構(gòu)的影響，很少將生物相容性、生物可吸收性、生物降解性與降解速率綜合考慮。未來還可以應(yīng)用多噴頭3D打印設(shè)備將具有兩個(gè)或多個(gè)不同復(fù)合材料層的梯度、結(jié)構(gòu)的梯度結(jié)合研究，從而制備出個(gè)性化的支架，促進(jìn)新骨生長，修復(fù)骨缺損。也可開發(fā)多功能支架，滿足特定人群的需要。