本研究针对现有骨仿生支架难以还原人体骨骼复杂层级结构的问题，构建了旋转3D打印与海绵复制相结合的制备方案，以铜取代透辉石和双相磷酸钙复合材料制得拟骨生物陶瓷支架；该支架精准复刻天然骨的微观结构，兼具适配的力学性能、物质传输能力与优良生物活性，可实现成骨与血管生成的诱导支持，为骨组织工程相关基础研究提供了新型仿生载体，也为体外骨相关模型开发奠定了技术基础。本综述针对骨软骨组织异质性引发的再生修复困境，以间充质干细胞与生物材料支架结合的组织工程体系为核心，阐明生物物理信号对干细胞命运的调控机制，系统总结机械生物学导向下仿生微环境支架的设计进展，实现间充质干细胞谱系特异性分化的精准调控，为分层骨软骨再生尤其是软骨下骨的再生修复提供理论支撑与设计参考。
01研究背景
具备天然骨结构特征、优异机械稳定性与生物相容性的仿生支架，是支撑骨组织再生相关研究的核心载体。当前多数拟骨支架存在技术局限，无法完整再现人体骨骼的复杂层级构造，导致支架的结构仿真度与功能适配性不足，制约了骨组织工程领域相关研究的推进。腱骨过渡组织拥有高度特化的胞外基质结构，核心特征为胶原蛋白的层级排列与矿物组成的梯度化，该结构体系可实现稳定的力传递，并对空间组织的细胞表型起到定向引导作用。现阶段，无法精准重现腱骨界面复杂的多尺度结构与组成梯度，成为阻碍软硬组织界面整合再生的关键瓶颈，亟需开发贴合天然结构特征的仿生基质构建方案。
02主要内容
研究以开发高保真人骨特征的拟骨支架为核心，选用铜取代透辉石与双相磷酸钙组成复合生物陶瓷材料，整合旋转3D打印与海绵复制两种技术手段完成支架制备；系统探究支架的微观结构特征、物理传输性能、力学承载特性以及生物活性，验证其在结构仿生、力学适配、生物功能等方面的表现，明确该支架在骨相关基础研究中的应用价值。
03研究设计
采用技术联用与复合材料结合的设计思路，以旋转3D打印技术实现支架宏观结构的精准构建，以海绵复制技术还原天然骨的微观孔隙与层级特征；选取铜取代透辉石和双相磷酸钙复合材料作为成型基底，从材料与工艺双维度优化支架性能；通过结构表征、力学测试、生物活性分析，全面评估支架与人体骨骼的匹配度及功能特性。
04结果
制备的拟骨生物陶瓷支架与人体骨骼结构高度契合，完整呈现松质骨、皮质骨及哈弗斯管的天然骨特征；支架具备高孔隙率与优良的物质运输能力，轴向与横向载荷下的抗压性能和人体骨骼相匹配；同时支架表现出良好的生物相容性，拥有诱导并支持成骨过程、血管生成过程的潜在能力。
05思路延伸
该仿生支架可作为大尺寸骨缺损相关基础研究的实验载体，依托其与人体骨骼高度相似的结构和功能特性，还可进一步应用于体外骨病模型构建、药物检测筛选等多类生物医学基础研究，为骨组织工程领域的仿生材料研发提供新的研究思路与方向。
原文来源：
1. 期刊：International Journal of Extreme Manufacturing2. 发表日期：2025-02-063. DOI：10.1088/2631-7990/ada7aa4. 作者：Shumin Pang, Dongwei Wu, Dorian A H Hanaor, Astrid Haibel, Jens Kurreck, Aleksander Gurlo