综述：3D打印聚己内酯（PCL）支架的表面改性用于骨组织工程

《Tissue and Cell》：Surface modification of 3D-printed polycaprolactone (PCL) scaffolds for bone tissue engineering

　　

Seyed Amirreza Dehghani | Arefe Razavi | Hossein Sahbafar

伊朗德黑兰伊斯兰阿扎德大学科学与研究分校兽医学院

摘要

骨组织工程（BTE）的目标是通过结合生物材料、细胞和生物活性物质来再生骨骼。BTE支架具有无限供应性、非免疫原性且无感染风险。它们在细胞组成、结构和化学成分方面也类似于真实骨骼。聚己内酯（PCL）单独使用或与其他材料结合，是一种常用的生物相容性聚合物，用于熔融沉积建模（FDM）工艺。由于PCL表面具有疏水性和光滑性，这会妨碍细胞的适当附着。这一限制严重阻碍了再生过程；因此，许多研究人员致力于开发改进PCL表面的方法以增强细胞粘附性。表面改性的技术包括涂覆亲水性或生物活性物质、化学处理（如碱性蚀刻）以及物理处理（如激光纹理化）等。本研究的目的是总结已研究的表面改性方法，评估各种方法及其效果。本文综述了相关文献的重要结果，讨论了研究结果，并探讨了3D打印PCL支架在BTE应用中的未来研究和临床方向。

引言

组织工程是一个结合工程学和医学的领域，旨在设计和制造组织替代物以修复或替换受损组织。肌肉骨骼损伤，特别是与骨骼相关的损伤，给患者带来了经济和生活质量方面的诸多问题（Daroudi等人，2024年；Al-Worafi，2023年）；因此，在过去40年中，组织工程作为骨组织再生的替代方案受到了广泛关注（Nerem，2006年；Shafiee和Atala，2017年；Han等人，2020年；Rondón等人，2024年；Sahbafar等人，2025a年；Salsano等人，2025年；Huang等人，2025年）。组织工程支架可以通过修改提取的人类或动物组织制成，或者完全重新制造（Eltom等人，2019年；Adel等人，2022年；Neishabouri等人，2022年；Li等人，2024年；Zhu等人，2019年；Mangani等人，2025年）。由于组织特性的根本差异，组织工程领域可以分为软组织和硬组织工程，后者主要关注骨骼、软骨和牙齿的修复（Janmohammadi和Nourbakhsh，2019年；Hassanzadeh Nemati和Mirhadi，2022年；Hassanzadeh Nemati和Mirhadi，2020年；Sahbafar，2025年）。骨组织工程（BTE）通过结合生物材料、细胞和生物活性化合物来实现骨骼再生（Alonzo等人，2021年；Szwed-Georgiou等人，2023年；Kheradmandfard等人，2025年）。身体无法自行修复的组织缺陷通常通过自体或异体移植来治疗，但这些方法存在感染和免疫排斥等显著缺点，并且需要手术来获取移植材料（Garcia-Gareta等人，2015年；Sanz-Sanchez等人，2022年；Ferraz，2023年）。相比之下，BTE支架供应无限，无免疫原性，且无感染风险（Qi等人，2021年）。这些支架在组成、结构和细胞方面都模仿了天然骨骼（Koushik等人，2023年；Gholami和Naghib，2025年；Darghiasi等人，2024年；Manohar等人，2024年；Alex等人，2024年）。

到目前为止，已经采用了多种材料和制造方法来获得理想的支架特性（Collins等人，2021年；Bhushan等人，2022年）。其中，3D打印提供了最高的控制程度，使组织工程师能够精确调节形状、尺寸和孔隙特性（Loewner等人，2022年；Mayfield等人，2022年；Ren等人，2024年；Noroozi等人，2023年；Sahbafar等人，2025b年）。几种3D打印技术已被应用于组织工程。其中研究最深入且最易获得的是熔融沉积建模（FDM），该技术通过熔化热塑性丝材并分层沉积来构建支架（Winarso等人，2022年；Kumar等人，2024年；Moukbil等人，2020年；Mel?ová等人，2020年）。这种技术可以打印可生物降解的聚合物，尤其是含有陶瓷和金属的复合材料，从而使聚合物基底可降解，而生物活性部分可以作为再生性能的参数（Sahbafar，2023年；Figueroa Romero等人，2024年）。FDM方法中常用的生物相容性聚合物是聚己内酯（PCL），可以单独使用或与其他材料复合（Hasanpour等人，2025年）。与其他生物材料一样，PCL既有优点也有缺点：它具有优异的打印性能和柔韧性，但机械强度低且在体内降解速度非常慢（Yang等人，2021年；Liang等人，2024年；Herrera等人，2020年；Moraczewski等人，2025年）。PCL表面光滑且疏水，这会阻碍植入后的细胞充分附着。这一限制严重阻碍了再生过程，许多研究人员致力于开发改进PCL表面的方法以增强细胞粘附性（Jeon等人，2014年；Khorramnezhad等人，2021年；Liu等人，2021年）。表面改性技术包括物理处理（如激光纹理化）、化学方法（如等离子体或碱性蚀刻）、涂覆生物活性或亲水性化合物以及其他方法（Jirofti等人，2020年；Daskalova等人，2021年；Park等人，2021年；Can-Herrera等人，2022年；Filipov等人，2022年；Ilyas等人，2022年；Yaseri等人，2023年；Farajpour等人，2024年）。

尽管已有许多关于PCL支架及其在组织工程中应用的综述，但没有一篇综述明确概述了用于提高这些支架性能的各种表面改性技术（Liang等人，2024年；Siddiqui等人，2018年；Gharibshahian等人，2023年）。本综述旨在概述已研究的表面改性方法，并比较这些不同技术的效果及其评估结果。

部分摘录

材料与方法

所回顾的研究来自Web of Science（WOS）数据库。搜索策略包括与“支架”、“3D打印”、“骨组织工程”、“聚己内酯”和“表面改性”相关的关键词及其同义词。纳入标准是英文发表的相关文章且全文可获取。排除标准是综述论文和其他语言发表的文章。值得注意的是，没有时间范围限制

基于化学处理的表面改性

化学处理是指向支架施加不同的化学试剂以改变其表面性质、提高其机械强度、生物相容性和效果的过程（Teimouri等人，2023年）。这种技术可以提供支持细胞粘附和增殖的处理方式，改变表面能或添加反应基团。研究人员可以通过调整表面形貌来定制支架，以适应组织工程和再生医学的特定用途

讨论与结论

组织工程区分了软组织和硬组织工程，后者专注于骨骼、软骨和牙齿的修复，结合工程学和医学来生产组织替代物。与传统的移植方法相比，BTE具有较低的感染风险和无限供应等优点，它利用生物材料、细胞和生物活性化学物质实现骨骼再生。采用了多种材料和制造技术，其中3D打印技术尤为关键

CRediT作者贡献声明

Seyed Amirreza Dehghani：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、资料收集、数据分析、概念化。Arefe Razavi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、数据分析。Hossein Sahbafar：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、项目管理、方法学研究、数据分析。

在准备本作品时，作者使用了Assistant、Quillbot和Grammarly工具对文本进行了语法和拼写修正。使用这些工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

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