组织工程需要优化支架的发展，以促进细胞生长和组织的发展和再生。骨再生是一个复杂的生物学过程，包括损伤组织中骨祖细胞的募集，以及利用多孔支架和生长因子诱导组织形成。

理想的支架应满足多种物理化学和生物要求(如生物相容性、骨传导性、骨诱导性)，并作为三维多孔基质，具有相互连接的开放孔隙，用于细胞生长、增殖、分化和随后的细胞外基质(ECM)发育。

此外，必须达到稳定的材料-组织界面、足够的机械强度和受控的降解率，以提供结构完整性，直到所需组织自然再生[1]。近年来，纳米压痕技术在生物软组织领域引起了广泛的关注，并迅速被用于研究支架的力学性能、模拟软组织以及阐明湿环境下降解过程的影响。由于水凝胶具有随时间变化的孔隙弹性或孔隙粘弹性行为和液体毛细作用，因此测量的准确性(尤其是在潮湿条件下)需要新的方法和技术，而适当的表面检测增加了主要挑战[2,3]。

纳米结构水凝胶支架在组织工程领域得到了广泛的研究，因为它提供了一种高度亲水的聚合物网络，类似于天然结缔组织的结构复杂性。其三维结构主要由化学或物理交联的亲水性聚合物组成（天然或合成），其在水介质中膨胀的能力导致细胞被困在支架内，并导致氧气、营养物质和细胞代谢物的高渗透性[4]。

骨替代品的孔隙度是先决条件，以便在体内植入时允许高密度的种子细胞和支持新生血管。此外，多孔结构增加了植入支架与周围自然组织之间的机械联锁，增强了关键界面[5]的机械稳定性。孔径大小与成骨细胞活性之间的关系尚未完全确定;而由大孔(孔径≥50 μ m)和微孔(孔径≤10 μ m)组成的多孔网络则有利于新生组织的生长。此外，随着孔隙参数的变化，支架的生物降解率也会受到影响，因为更高的孔隙率会增加单位体积的比表面积。

目前有多种方法制备具有内部多孔网络的水凝胶基支架，如气体发泡、溶剂铸造和颗粒浸出、热诱导相分离或冷冻干燥[7]等。这些技术的缺点主要来自于使用剧毒的有机溶剂，从聚合物结构中不完全去除残留物，以及缺乏对孔隙互连性的完全控制。此外，这些方法大多无法生产出孔径大小和形状合适的支架。为了克服这些限制，可采用增材制造方法来设计和制造具有特定复杂结构的三维支架。其中最有前途的技术包括3D打印，更具体地说，直接墨水书写水凝胶支架[8]。在这一过程中，从计算机断层扫描数据集创建脚手架的虚拟3D模型，随后，材料以一层一层的方式从注射器喷嘴挤压，从而形成明确的多孔结构，具有精确控制的互联性。此外，在骨组织工程中，通过开发计算机辅助设计(CAD)程序，3D打印成为直接制造个性化植入物的通用工具。

参考文献

1. Lima PAL, Resende CX, Soares GD de Almeida, Anselme K, Almeida LE(2013)基于壳聚糖、丝素蛋白和羟基磷灰石的骨组织工程三维支架的制备、表征和生物学测试。材料科学与工程C 33: 3389-3395。［裁判。]
2. Pharr GM（2015）《纳米压痕法小规模机械性能测量的最新进展》，Curr Opin固态材料Sci 19:315-316[裁判。]
3. Skarmoutsou A，Lolas G，Charitidis CA，Chatzinikolaidou M，Vamvakiki M，等。（2013）骨组织工程用混合涂层的纳米力学性能。机械行为生物医学杂志25:48-62[裁判。]
4. bilet T, Vandenhaute M, Schelfhout J, Vlierberghe SV, Dubruel P(2012)综述了组织工程水凝胶快速成型技术的发展趋势和局限性。生物材料33:6020 - 6041。［裁判。]
5. Bose S，Roy M，Bandyopadhyay A（2012）骨组织工程支架的最新进展。生物技术趋势30:546-554。[裁判。]
6. 刘毅，李X，曲X，朱力，何杰，等。（2012）具有复杂微结构的三维卷曲支架的制备和细胞培养。生物制品4:015004。[裁判。]
7. 关键词:组织工程，三维支架，组织工程，力学性能Int J Nanomed 8: 337-350。［裁判。]
8. Bose S, Vahabzadeh S, Bandyopadhyay A(2013)使用3D打印的骨组织工程。脱线今天16:496-504。［裁判。]

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条信息

Aritcle类型:社论

引用:Brasinika D，Dragatogiannis D，Charitidis CA（2015）基于水凝胶的骨组织再生纳米结构3D支架：特性和工具。Int Nanomed Nanosurg 2（1）：doihttp://dx.doi.org/10.16966/2470-3206.e103

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出版历史：

收到日期：2015年12月18日

接受日期:2015年12月21日

发表日期:2015年12月27日