骨支架作为种子细胞和生长因子的载体, 是骨组织工程修复的关键。骨支架的材料特征及微结构对其力学性能及种子细胞黏附和增殖等有重要影响。关于支架的制备, 可以采用常规致孔技术形成多孔材料, 也可以用快速成型等方法制成预先设计好的结构, 还有直接利用动物骨衍生得到的支架。不同方法得到的支架内部微结构会有很大差别, 支架的力学性能也自然不同, 修复效果也各异。本文综述了近年来骨支架材料及微结构对其力学性能、种子细胞、组织修复影响的主要研究成果。
引用本文： 张莹莹, 宫赫. 骨支架材料性能的影响因素及其制备方法. 生物医学工程学杂志, 2015, 32(2): 480-484. doi: 10.7507/1001-5515.20150087 复制
引言
骨组织工程为骨缺损的修复开辟了新的路径，它包括种子细胞、生物活性因子、支架材料三个方面，其中骨支架作为种子细胞和生长因子的载体，为种子细胞提供三维空间、营养和氧气，同时为废物运输提供通道，而且还要模拟周围组织的力学性能给新骨生长提供支撑，是骨组织工程的关键[1]。因此，骨支架除了要有良好的生物相容性、降解性、骨传导性及诱导性等，还要有一定的形态结构特征和类似于天然骨结构的力学性能，这些特征都会对骨组织的构建产生重要的影响。
影响骨支架性能的主要因素有材料的化学成分、相组成、微观结构及宏观结构特征。近年来，许多研究表明支架材料的形态(如微纳米尺度颗粒直径)、物理微环境、力学因素对种子细胞的增殖和分化有重要的影响[2-3]。内部结构不同，在不同的力学刺激下其内部应变分布不同，也就决定了种子细胞生存微环境的差异。如何更加科学有效地为种子细胞提供适宜环境，寻找最佳微观力学结构条件尚需要进一步的探索。本文综述了近年来骨组织工程支架的材料和微结构对支架力学性能的影响，及对种子细胞增殖、分化影响的主要研究进展，为骨组织工程支架及种子细胞的研究提供思路和理论依据。
1 骨支架材料形态特征对其性能影响
骨支架材料来源广泛，不同的材料本身力学强度不相同；材料本身的不同形态，如不同的颗粒直径(纳米级或微米级)也会造成它们性能的差异。从微观结构上看，纳米纤维结构相对于微米结构生物材料，具有更高比表面积和更多吸附位点，材料表面的形貌、亲疏水性等性质有着独特的优越性，影响蛋白的选择性吸附、密度及构象等，直接或间接地影响细胞的黏附，促进细胞的增殖和分化，进而改变支架材料与组织之间的相互作用[3]。
较早研制的纳米支架材料是纳米晶粒羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)，其优点在于化学组成和结构与天然骨的无机质成分相同，形态学特征和晶体结构也十分相似，有很好的生物相容性、骨传导性和与骨结合的能力。纳米HA因具有超微纳米结构而表现出独特的性能，可以增加体外培养的成骨细胞的黏附与增殖能力，人体自然骨中的HA主要是纳米级缺钙的HA[1]。Huang等[4]将纳米HA与微米HA分别与大鼠骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)进行共培养，比较它们对BMSCs成骨向分化的影响，结果发现纳米级HA比微米级HA更能促进干细胞表达成骨相关因子；而周钢等[5]也对不同尺度的纳米HA影响BMSCs的成骨分化做了研究，采用微波反应器制备了不同尺寸的纳米HA，分别与大鼠BMSCs共培养发现直径40 nm的纳米HA更有利于BMSCs向成骨细胞分化，也就是说HA的颗粒直径是BMSCs成骨向分化的重要影响因素，为干细胞分化的力学研究提供了新思路。
HA本身具有较好的亲水性，纳米粒子又具有高比表面积、高表面自由能和好的溶解性能，将纳米HA与其它材料混合是当前生物医用复合材料研究领域的热点之一[6]。Jegal等[7]将纳米HA/胶原加入聚左旋乳酸-己内酯共聚物[poly(lactide-co-caprolactone)，PLCL]中制得支架，发现纳米HA的加入明显增强了支架的拉伸强度，同时细胞的生长、分化能力也得到增强，动物体内实验也证明其骨修复效果较单纯PLCL纳米纤维支架好。Heo等[8]制作纳米级和微米级的HA/聚己内酯[poly(ε-caprolactone)，PCL]复合支架，尽管两种材料均为高度多孔材料，有着相同的孔径和孔隙率，然而二者的弹性模量分别为(3.187±0.06) MPa和(1.345±0.05) MPa，前者的弹性模量明显大于后者，表现出更好的力学性能。进一步研究发现，纳米级的HA/PCL复合支架更易使BMSCs黏附和增殖，骨缺损处有更多的钙和碱性磷酸酶，在修复骨缺损时更有优势。
纳米颗粒材料分散到传统支架材料中可以显著提高材料的性能。纳米HA加入到半导体金属氧化物，如氧化锌、二氧化硅粉末中制得的复合物支架具有更强的机械性能，更好的表面活性，更利于骨形成[9]。活性碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)已被证明具有较高的生物相容性，能够应用在组织工程支架中。壳聚糖是一种天然生物衍生物，其机械强度较差，将壳聚糖与硫酸软骨素及纳米级二氧化硅复合后，支架材料的力学性能和生物相容性均得到提高[10]。不仅如此，Venkatesan等[11]还发现加入了CNTs的壳聚糖支架可以促进骨细胞的生长增殖，且细胞的碱性磷酸酶表达水平及矿化水平比单纯的壳聚糖支架高，因为其无生物降解性，像骨细胞赖以生存的惰性介质，细胞分泌的活性物质聚集在纳米材料上就形成了功能性的正常骨，且导电性能可以刺激骨细胞功能的发挥。Pattnaik等[12]将纳米二氧化硅及纳米氧化锆与壳聚糖材料混合制得支架，发现该支架增加了支架的生物降解性、蛋白吸附和生物矿化的性能，同时还降低了支架的溶胀性。这些结果都说明了纳米结构材料在骨支架应用方面有着很大的优势。
2 骨支架微结构对其性能影响
为了满足力学性能匹配的要求，支架材料必须满足一系列相当复杂的力学要求，同时支架微结构也要尽量接近骨的力学性能。合适的支架内部结构是支架能否发挥最优成骨效能的关键，因为支架材料的物理参数(如力学硬度、孔径、通道几何形状等)对种子细胞的黏附、细胞信号表达和分化产生显著影响，还决定营养和氧气的输送，代谢产物排出，以及血管能否形成最适宜支持骨新生的方式等。骨支架的微结构主要包括孔径大小、孔隙率、孔间连通性、孔分布的均匀性、连通孔道的扭曲度和支架的比表面积，这些因素直接影响到支架材料分布的均匀程度，以及其力学性能和种子细胞的修复性能。
Sicchieri等[13]制作了三组孔径分别为470~590、590~850、850~1 200μm的多聚物支架，目的是探讨孔径对于成骨细胞及组织修复的影响，结果发现，孔径为470~590μm的支架更利于骨的生成，且有更多的血管生成，作者还认为，支架上同时存在有大孔(~1 000μm)和小孔(~500μm)更加有利于骨组织愈合。Melchels等[14]发现，对于具有螺旋孔结构的支架，具有较大孔径的材料能获得较高的细胞密度。较高的孔隙率可为种子细胞提供足够的生长空间，利于细胞的黏附和扩增，利于生长因子等信号分子的传导，提高了支架的成骨能力，且可以缩小支架的体积，从而使支架容易降解。良好的孔道连通性有利于骨组织和血管组织的长入，便于营养物质的输送和细胞代谢产物的排泄，保证骨组织的传导作用。Mastroqiacomo等[15]以HA陶瓷为原料，用不同的技术分别制得两种支架，它们的微孔有着不同的孔径分布和相互连接方式。将两种支架用于骨修复，发现骨修复所需要的时间并不相同，且形成的血管大小也不相同，结果证明了骨支架的孔隙率及孔的连通性可以影响整体的骨沉积量、血管侵入的方式，最终影响骨新生过程的动力学。
支架的孔隙分布均匀则支架材料分布也均匀，其力学性能均匀，整体吸附能力也平衡，利于细胞均匀的贴壁黏附，降解速度也均衡；另外，支架内部孔道弯曲程度越大，种子细胞就越容易滞留黏附在支架的孔隙中，提高种植率；而支架的比表面积越大，可以提供更为宽大的空间，其吸附能力越强，越能够为细胞的贴壁黏附和增殖提供更大的接触表面，利于细胞外基质的分泌与沉积，从而增强支架的生物活性。此外，较大的比表面积可以促进支架降解，减小应力遮挡效应，降低对新生组织的结构和功能的影响[16]。支架力学强度会影响细胞内骨架产生的张力，这种张力对控制细胞的形状和功能起重要作用，强韧的支架表面有利于张力纤维的排布、细胞的扩展和分化，支架的顺应性会影响细胞间的连接和聚集，且承重骨缺损的修复对支架力学强度有较高要求。支架微结构的方向性影响着支架的力学强度，支架拥有定向的微结构，则力学强度会较高[17]。多孔材料的渗透率是多孔介质内液体流动的定量参数，表征物质交换能力，不仅与孔隙大小有关，还与孔隙的方向性和连通性有关。Mitsak等[18]以PCL为原料，制得渗透率不同的两种结构支架，与种子细胞共培养观察体内骨再生情况，得出高渗透率可以促进骨再生的结论。然而，并不是渗透率越高越好，不合适的渗透率可能会促进软骨组织而不是骨组织的形成[19]。为了揭示支架渗透率对种子细胞生长的影响，Fan等[20]选取系列孔径的聚磷酸三钙多孔材料，孔径尺寸为200~300μm，孔隙率为50%，进行了渗透率的测定，并按照其高低分为3组，植入相同数量的成骨细胞，采用静态和灌注式两种方式进行培养，结果显示在体外实验中，高渗透率的组织工程支架可以显著改善种子细胞的增殖情况和活性，特别是在灌流培养条件下，高渗透率的优势会更加明显。这些发现对于骨组织工程支架材料的优化有着指导性的意义。
3 骨支架的制备方法
支架制备的关键是建立拥有良好力学性能和高孔隙率及连通性的结构，制备方法也决定了其三维空间结构。构建组织工程化骨，理想的支架微观结构对骨形成的质量起关键的作用。
3.1 人工材料支架
让材料随机形成一些孔隙，即自然成孔获得的支架称为非预设支架；用喷涂成型(solid free-form fabrication，SFF)等方法制成预先设计好的结构称为预设支架，它们都属于人工材料支架。
非预设支架在制备以前并没有一个具体的性能和结构上的设计。人们已经研究出了许多方法，但大多集中在微孔结构的制作上。这些方法包括溶剂浇铸-粒子沥滤法、发泡法、冷冻干燥法、静电纺丝法、相分离法等。虽然通过这些方法能够制备出形状复杂、非常精细的微孔结构，具有数个微米或是纳米尺度的微观结构，但是，这些方法存在支架结构及连通性不可控、强度较低等缺点，因此支架材料的可重复性比较差，难以做到批量生产。Mastroqiacomo等[15]分别用海绵基质包埋法和物理发泡法制得的两种支架(A和B)，它们化学成分相同，但在孔径、孔隙分布及连通性方面都有所不同，A支架的孔隙率约为65%，其内部的连通更像是隧道，与相邻隧道的连通较少，互连大小多在200μm以上；B支架孔隙率约为80%，相邻孔隙连通较多，连接大小多在100μm以下，只有3%超过200μm。植入小鼠体内后发现支架B可较快地形成骨组织，且在第4周达到稳定状态，而支架A达到相同的效果则需要8周的时间，但A支架可形成更大的血管。Liu等[21]以生物活性玻璃13-93为材料，用基于莰烯悬液的单向冷冻法及冰冻混合物近软化点进行热处理两步法制得柱状定向孔结构支架，孔隙率为65%，孔径90~110μm，发现孔的方向和微结构的均一性主要依赖于冷冻条件，而孔径主要取决于退火步骤，较快的冷冻速率(7℃·min-1)可以促进孔的均匀性，这种生物活性玻璃支架在强度、硬度及孔隙特征方面的性能均较好；动物体内检测其成骨效果，结果发现尽管孔隙率及孔径较小，定向孔支架更有利于丰富的软组织的内生长，然而种植BMSCs后，两种材料均可很好地促进骨修复[17]。
SFF技术是通过喷涂法将已设计好的整个三维外形及内部结构逐层堆积起来，然后将成型的支架形状和结构固定。这种方法可以根据不同患者计算机断层扫描、磁共振成像等成像数据，快速制造个性化的骨支架材料，还可以在微观结构上调整材料结构及细胞的排列，根据需要获得更有利于细胞生长、分化、骨组织长入和成活的理想微观孔结构[22]。支架微观结构的建模设计是利用SFF制造仿生骨支架的关键，设计原则就是对具有不规则的分形体的人体骨骼内部微观孔的结构进行仿生设计，而基于计算机断层扫描的有限元分析技术是对支架进行建模的一个强有力的工具，可以在微观水平上分析材料的孔隙结构和内部应力应变分布，且可以预测不同类型的力学刺激引起组织的形成情况[23]。SFF法对材料的制约性较多，而且制备出的支架孔道直径往往为数百微米，如Lee等[22]利用光固化制备的聚丙烯延胡索酸酯(poly-propylene fumarate，PPF)支架孔径500~900μm，孔隙率30%~63%，弹性模量15~40 MPa；孔径300μm的PPF支架弹性模量在200~588 MPa之间，极限强度为27~129 MPa。
根据模型设计，可以制得具有不同内部孔结构的生物可降解支架材料。Dias等[24]为了表征支架微结构的渗透率，设计出了具有不同渗透率的支架，并用SFF法将支架制作出来，分别通过计算和实验方法进行了验证。张祥林等[25]利用精密挤出沉积自由成型技术制备HA多孔骨支架，探讨了工艺参数对支架孔洞成形的影响，评价支架的力学性能并分析影响强度的微观因素，制备出了具有可控结构、良好连通性的骨支架，孔隙率为56.2%，且支架具有良好的力学性能，经过微波烧结处理后，支架的平均抗压强度为45.2 MPa，满足组织工程支架结构与力学性能的要求，得出了结论：致密化程度与晶粒尺寸是影响支架强度的主要微观因素。Shin等[26]以光敏分子修饰的富马酸二羟丙酯为原料，利用光固化立体印刷技术制备的多孔支架具有与人松质骨相似的力学性质，并发现支架能促进成纤维细胞的黏附与分化，此外，还以PPF/HA为原料，用此法获得了孔和骨架结构均匀、连通性较好的支架。
3.2 生物衍生骨支架
生物衍生支架材料的理论依据是使用物理化学方法去除生物骨部分有机基质，如细胞膜上的脂蛋白，不相容性抗原等，减轻抗原性，但仍完全或部分保存原来组织的成分、结构。骨衍生支架材料最大的优点是网络结构最接近人体，具有对骨诱导再生十分有利的天然网孔微结构，解决了人工合成支架材料仿生制作方面的一些难题，如孔隙率、孔隙连通、孔径大小、力学各向异性等，在某些性能方面优于人工合成骨支架[27]。生物衍生骨支架为骨组织工程支架材料的仿生制备提供了一条简便、快速、低廉的研究途径。根据骨衍生支架材料的加工工艺不同，可分为冻干骨支架、煅烧骨支架、脱钙骨基质支架、脱蛋白骨支架及脱细胞骨支架。
经过理化处理的骨组织，其优良的组织相容性、天然的支架结构及与骨组织相匹配的生物力学特征，显示了它作为组织工程骨支架诱人的应用前景，其作为骨缺损修复重建的替代物已得到广泛应用，近年来受到越来越多的关注[28]。Li等[29]分别取健康成人髂骨和猪髂骨，以剔除软组织、骨髓和骨膜等得到人骨支架材料和猪骨支架材料，对两种支架材料进行扫描电镜观察，发现两种材料均具有骨小梁、小梁间隙及骨内管腔系统，具有天然网孔结构，三维支架系统形态完整，其中猪骨支架材料较人骨支架材料具有更多的三维孔隙，具有更高的孔隙率，两种材料的孔隙大小均在400μm左右，且弹性模量无明显差异，理化性能和力学性能方面极相似，所以作者认为若经进一步的活性检测后，猪骨支架材料可以考虑用于临床修复人类骨缺损。Chen等[30]通过物理化学方法获得脱细胞骨支架，实验证明该支架具有良好的生物相容性及骨传导性，是一种很有前景的骨支架材料。
4 结论
人体骨有着特定的复杂多孔复合结构、黏弹性、各向异性等形态学和力学特征。用于骨缺损的支架要满足一定的要求，要有与天然骨相似的特性。在骨支架中的应用方面，纳米复合材料具有独特的力学特性，研究材料在纳米尺寸内的精细结构对于种子细胞的增殖分化等方面的影响是目前骨组织工程支架材料研究的一个热点，应用前景广阔。支架微结构是一个重要的设计变量，它不仅决定着支架的力学性能，还影响着种子细胞渗入的能力及营养物质、氧气、废物的运输能力。
不同的材料制作方法各有优势和局限性，所得到的支架结构和性能也有很大差异。非预设支架往往具有更精细的结构，但是其制作过程不是完全可控的，因此可重复性较差；预设支架的孔径往往较大，对原料要求较高，但有序的设计结构要比自由产生的孔结构性能更好，特别是力学性能。生物衍生骨支架材料具有天然的结构以及与骨组织相匹配的生物力学特征，使其作为组织工程骨支架显示了诱人的应用前景，然而对这种材料的体内作用过程还知之甚少，要实现其临床应用还面临很多挑战。支架材料制作的最大难题是很难实现与天然骨结构相似的微结构系统，从而使其生物力学性能等可以与正常骨质媲美。目前为止，并未找到较为理想的骨支架材料，今后的研究还任重道远。
引言
骨组织工程为骨缺损的修复开辟了新的路径，它包括种子细胞、生物活性因子、支架材料三个方面，其中骨支架作为种子细胞和生长因子的载体，为种子细胞提供三维空间、营养和氧气，同时为废物运输提供通道，而且还要模拟周围组织的力学性能给新骨生长提供支撑，是骨组织工程的关键[1]。因此，骨支架除了要有良好的生物相容性、降解性、骨传导性及诱导性等，还要有一定的形态结构特征和类似于天然骨结构的力学性能，这些特征都会对骨组织的构建产生重要的影响。
影响骨支架性能的主要因素有材料的化学成分、相组成、微观结构及宏观结构特征。近年来，许多研究表明支架材料的形态(如微纳米尺度颗粒直径)、物理微环境、力学因素对种子细胞的增殖和分化有重要的影响[2-3]。内部结构不同，在不同的力学刺激下其内部应变分布不同，也就决定了种子细胞生存微环境的差异。如何更加科学有效地为种子细胞提供适宜环境，寻找最佳微观力学结构条件尚需要进一步的探索。本文综述了近年来骨组织工程支架的材料和微结构对支架力学性能的影响，及对种子细胞增殖、分化影响的主要研究进展，为骨组织工程支架及种子细胞的研究提供思路和理论依据。
1 骨支架材料形态特征对其性能影响
骨支架材料来源广泛，不同的材料本身力学强度不相同；材料本身的不同形态，如不同的颗粒直径(纳米级或微米级)也会造成它们性能的差异。从微观结构上看，纳米纤维结构相对于微米结构生物材料，具有更高比表面积和更多吸附位点，材料表面的形貌、亲疏水性等性质有着独特的优越性，影响蛋白的选择性吸附、密度及构象等，直接或间接地影响细胞的黏附，促进细胞的增殖和分化，进而改变支架材料与组织之间的相互作用[3]。
较早研制的纳米支架材料是纳米晶粒羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)，其优点在于化学组成和结构与天然骨的无机质成分相同，形态学特征和晶体结构也十分相似，有很好的生物相容性、骨传导性和与骨结合的能力。纳米HA因具有超微纳米结构而表现出独特的性能，可以增加体外培养的成骨细胞的黏附与增殖能力，人体自然骨中的HA主要是纳米级缺钙的HA[1]。Huang等[4]将纳米HA与微米HA分别与大鼠骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)进行共培养，比较它们对BMSCs成骨向分化的影响，结果发现纳米级HA比微米级HA更能促进干细胞表达成骨相关因子；而周钢等[5]也对不同尺度的纳米HA影响BMSCs的成骨分化做了研究，采用微波反应器制备了不同尺寸的纳米HA，分别与大鼠BMSCs共培养发现直径40 nm的纳米HA更有利于BMSCs向成骨细胞分化，也就是说HA的颗粒直径是BMSCs成骨向分化的重要影响因素，为干细胞分化的力学研究提供了新思路。
HA本身具有较好的亲水性，纳米粒子又具有高比表面积、高表面自由能和好的溶解性能，将纳米HA与其它材料混合是当前生物医用复合材料研究领域的热点之一[6]。Jegal等[7]将纳米HA/胶原加入聚左旋乳酸-己内酯共聚物[poly(lactide-co-caprolactone)，PLCL]中制得支架，发现纳米HA的加入明显增强了支架的拉伸强度，同时细胞的生长、分化能力也得到增强，动物体内实验也证明其骨修复效果较单纯PLCL纳米纤维支架好。Heo等[8]制作纳米级和微米级的HA/聚己内酯[poly(ε-caprolactone)，PCL]复合支架，尽管两种材料均为高度多孔材料，有着相同的孔径和孔隙率，然而二者的弹性模量分别为(3.187±0.06) MPa和(1.345±0.05) MPa，前者的弹性模量明显大于后者，表现出更好的力学性能。进一步研究发现，纳米级的HA/PCL复合支架更易使BMSCs黏附和增殖，骨缺损处有更多的钙和碱性磷酸酶，在修复骨缺损时更有优势。
纳米颗粒材料分散到传统支架材料中可以显著提高材料的性能。纳米HA加入到半导体金属氧化物，如氧化锌、二氧化硅粉末中制得的复合物支架具有更强的机械性能，更好的表面活性，更利于骨形成[9]。活性碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)已被证明具有较高的生物相容性，能够应用在组织工程支架中。壳聚糖是一种天然生物衍生物，其机械强度较差，将壳聚糖与硫酸软骨素及纳米级二氧化硅复合后，支架材料的力学性能和生物相容性均得到提高[10]。不仅如此，Venkatesan等[11]还发现加入了CNTs的壳聚糖支架可以促进骨细胞的生长增殖，且细胞的碱性磷酸酶表达水平及矿化水平比单纯的壳聚糖支架高，因为其无生物降解性，像骨细胞赖以生存的惰性介质，细胞分泌的活性物质聚集在纳米材料上就形成了功能性的正常骨，且导电性能可以刺激骨细胞功能的发挥。Pattnaik等[12]将纳米二氧化硅及纳米氧化锆与壳聚糖材料混合制得支架，发现该支架增加了支架的生物降解性、蛋白吸附和生物矿化的性能，同时还降低了支架的溶胀性。这些结果都说明了纳米结构材料在骨支架应用方面有着很大的优势。
2 骨支架微结构对其性能影响
为了满足力学性能匹配的要求，支架材料必须满足一系列相当复杂的力学要求，同时支架微结构也要尽量接近骨的力学性能。合适的支架内部结构是支架能否发挥最优成骨效能的关键，因为支架材料的物理参数(如力学硬度、孔径、通道几何形状等)对种子细胞的黏附、细胞信号表达和分化产生显著影响，还决定营养和氧气的输送，代谢产物排出，以及血管能否形成最适宜支持骨新生的方式等。骨支架的微结构主要包括孔径大小、孔隙率、孔间连通性、孔分布的均匀性、连通孔道的扭曲度和支架的比表面积，这些因素直接影响到支架材料分布的均匀程度，以及其力学性能和种子细胞的修复性能。
Sicchieri等[13]制作了三组孔径分别为470~590、590~850、850~1 200μm的多聚物支架，目的是探讨孔径对于成骨细胞及组织修复的影响，结果发现，孔径为470~590μm的支架更利于骨的生成，且有更多的血管生成，作者还认为，支架上同时存在有大孔(~1 000μm)和小孔(~500μm)更加有利于骨组织愈合。Melchels等[14]发现，对于具有螺旋孔结构的支架，具有较大孔径的材料能获得较高的细胞密度。较高的孔隙率可为种子细胞提供足够的生长空间，利于细胞的黏附和扩增，利于生长因子等信号分子的传导，提高了支架的成骨能力，且可以缩小支架的体积，从而使支架容易降解。良好的孔道连通性有利于骨组织和血管组织的长入，便于营养物质的输送和细胞代谢产物的排泄，保证骨组织的传导作用。Mastroqiacomo等[15]以HA陶瓷为原料，用不同的技术分别制得两种支架，它们的微孔有着不同的孔径分布和相互连接方式。将两种支架用于骨修复，发现骨修复所需要的时间并不相同，且形成的血管大小也不相同，结果证明了骨支架的孔隙率及孔的连通性可以影响整体的骨沉积量、血管侵入的方式，最终影响骨新生过程的动力学。
支架的孔隙分布均匀则支架材料分布也均匀，其力学性能均匀，整体吸附能力也平衡，利于细胞均匀的贴壁黏附，降解速度也均衡；另外，支架内部孔道弯曲程度越大，种子细胞就越容易滞留黏附在支架的孔隙中，提高种植率；而支架的比表面积越大，可以提供更为宽大的空间，其吸附能力越强，越能够为细胞的贴壁黏附和增殖提供更大的接触表面，利于细胞外基质的分泌与沉积，从而增强支架的生物活性。此外，较大的比表面积可以促进支架降解，减小应力遮挡效应，降低对新生组织的结构和功能的影响[16]。支架力学强度会影响细胞内骨架产生的张力，这种张力对控制细胞的形状和功能起重要作用，强韧的支架表面有利于张力纤维的排布、细胞的扩展和分化，支架的顺应性会影响细胞间的连接和聚集，且承重骨缺损的修复对支架力学强度有较高要求。支架微结构的方向性影响着支架的力学强度，支架拥有定向的微结构，则力学强度会较高[17]。多孔材料的渗透率是多孔介质内液体流动的定量参数，表征物质交换能力，不仅与孔隙大小有关，还与孔隙的方向性和连通性有关。Mitsak等[18]以PCL为原料，制得渗透率不同的两种结构支架，与种子细胞共培养观察体内骨再生情况，得出高渗透率可以促进骨再生的结论。然而，并不是渗透率越高越好，不合适的渗透率可能会促进软骨组织而不是骨组织的形成[19]。为了揭示支架渗透率对种子细胞生长的影响，Fan等[20]选取系列孔径的聚磷酸三钙多孔材料，孔径尺寸为200~300μm，孔隙率为50%，进行了渗透率的测定，并按照其高低分为3组，植入相同数量的成骨细胞，采用静态和灌注式两种方式进行培养，结果显示在体外实验中，高渗透率的组织工程支架可以显著改善种子细胞的增殖情况和活性，特别是在灌流培养条件下，高渗透率的优势会更加明显。这些发现对于骨组织工程支架材料的优化有着指导性的意义。
3 骨支架的制备方法
支架制备的关键是建立拥有良好力学性能和高孔隙率及连通性的结构，制备方法也决定了其三维空间结构。构建组织工程化骨，理想的支架微观结构对骨形成的质量起关键的作用。
3.1 人工材料支架
让材料随机形成一些孔隙，即自然成孔获得的支架称为非预设支架；用喷涂成型(solid free-form fabrication，SFF)等方法制成预先设计好的结构称为预设支架，它们都属于人工材料支架。
非预设支架在制备以前并没有一个具体的性能和结构上的设计。人们已经研究出了许多方法，但大多集中在微孔结构的制作上。这些方法包括溶剂浇铸-粒子沥滤法、发泡法、冷冻干燥法、静电纺丝法、相分离法等。虽然通过这些方法能够制备出形状复杂、非常精细的微孔结构，具有数个微米或是纳米尺度的微观结构，但是，这些方法存在支架结构及连通性不可控、强度较低等缺点，因此支架材料的可重复性比较差，难以做到批量生产。Mastroqiacomo等[15]分别用海绵基质包埋法和物理发泡法制得的两种支架(A和B)，它们化学成分相同，但在孔径、孔隙分布及连通性方面都有所不同，A支架的孔隙率约为65%，其内部的连通更像是隧道，与相邻隧道的连通较少，互连大小多在200μm以上；B支架孔隙率约为80%，相邻孔隙连通较多，连接大小多在100μm以下，只有3%超过200μm。植入小鼠体内后发现支架B可较快地形成骨组织，且在第4周达到稳定状态，而支架A达到相同的效果则需要8周的时间，但A支架可形成更大的血管。Liu等[21]以生物活性玻璃13-93为材料，用基于莰烯悬液的单向冷冻法及冰冻混合物近软化点进行热处理两步法制得柱状定向孔结构支架，孔隙率为65%，孔径90~110μm，发现孔的方向和微结构的均一性主要依赖于冷冻条件，而孔径主要取决于退火步骤，较快的冷冻速率(7℃·min-1)可以促进孔的均匀性，这种生物活性玻璃支架在强度、硬度及孔隙特征方面的性能均较好；动物体内检测其成骨效果，结果发现尽管孔隙率及孔径较小，定向孔支架更有利于丰富的软组织的内生长，然而种植BMSCs后，两种材料均可很好地促进骨修复[17]。
SFF技术是通过喷涂法将已设计好的整个三维外形及内部结构逐层堆积起来，然后将成型的支架形状和结构固定。这种方法可以根据不同患者计算机断层扫描、磁共振成像等成像数据，快速制造个性化的骨支架材料，还可以在微观结构上调整材料结构及细胞的排列，根据需要获得更有利于细胞生长、分化、骨组织长入和成活的理想微观孔结构[22]。支架微观结构的建模设计是利用SFF制造仿生骨支架的关键，设计原则就是对具有不规则的分形体的人体骨骼内部微观孔的结构进行仿生设计，而基于计算机断层扫描的有限元分析技术是对支架进行建模的一个强有力的工具，可以在微观水平上分析材料的孔隙结构和内部应力应变分布，且可以预测不同类型的力学刺激引起组织的形成情况[23]。SFF法对材料的制约性较多，而且制备出的支架孔道直径往往为数百微米，如Lee等[22]利用光固化制备的聚丙烯延胡索酸酯(poly-propylene fumarate，PPF)支架孔径500~900μm，孔隙率30%~63%，弹性模量15~40 MPa；孔径300μm的PPF支架弹性模量在200~588 MPa之间，极限强度为27~129 MPa。
根据模型设计，可以制得具有不同内部孔结构的生物可降解支架材料。Dias等[24]为了表征支架微结构的渗透率，设计出了具有不同渗透率的支架，并用SFF法将支架制作出来，分别通过计算和实验方法进行了验证。张祥林等[25]利用精密挤出沉积自由成型技术制备HA多孔骨支架，探讨了工艺参数对支架孔洞成形的影响，评价支架的力学性能并分析影响强度的微观因素，制备出了具有可控结构、良好连通性的骨支架，孔隙率为56.2%，且支架具有良好的力学性能，经过微波烧结处理后，支架的平均抗压强度为45.2 MPa，满足组织工程支架结构与力学性能的要求，得出了结论：致密化程度与晶粒尺寸是影响支架强度的主要微观因素。Shin等[26]以光敏分子修饰的富马酸二羟丙酯为原料，利用光固化立体印刷技术制备的多孔支架具有与人松质骨相似的力学性质，并发现支架能促进成纤维细胞的黏附与分化，此外，还以PPF/HA为原料，用此法获得了孔和骨架结构均匀、连通性较好的支架。
3.2 生物衍生骨支架
生物衍生支架材料的理论依据是使用物理化学方法去除生物骨部分有机基质，如细胞膜上的脂蛋白，不相容性抗原等，减轻抗原性，但仍完全或部分保存原来组织的成分、结构。骨衍生支架材料最大的优点是网络结构最接近人体，具有对骨诱导再生十分有利的天然网孔微结构，解决了人工合成支架材料仿生制作方面的一些难题，如孔隙率、孔隙连通、孔径大小、力学各向异性等，在某些性能方面优于人工合成骨支架[27]。生物衍生骨支架为骨组织工程支架材料的仿生制备提供了一条简便、快速、低廉的研究途径。根据骨衍生支架材料的加工工艺不同，可分为冻干骨支架、煅烧骨支架、脱钙骨基质支架、脱蛋白骨支架及脱细胞骨支架。
经过理化处理的骨组织，其优良的组织相容性、天然的支架结构及与骨组织相匹配的生物力学特征，显示了它作为组织工程骨支架诱人的应用前景，其作为骨缺损修复重建的替代物已得到广泛应用，近年来受到越来越多的关注[28]。Li等[29]分别取健康成人髂骨和猪髂骨，以剔除软组织、骨髓和骨膜等得到人骨支架材料和猪骨支架材料，对两种支架材料进行扫描电镜观察，发现两种材料均具有骨小梁、小梁间隙及骨内管腔系统，具有天然网孔结构，三维支架系统形态完整，其中猪骨支架材料较人骨支架材料具有更多的三维孔隙，具有更高的孔隙率，两种材料的孔隙大小均在400μm左右，且弹性模量无明显差异，理化性能和力学性能方面极相似，所以作者认为若经进一步的活性检测后，猪骨支架材料可以考虑用于临床修复人类骨缺损。Chen等[30]通过物理化学方法获得脱细胞骨支架，实验证明该支架具有良好的生物相容性及骨传导性，是一种很有前景的骨支架材料。
4 结论
人体骨有着特定的复杂多孔复合结构、黏弹性、各向异性等形态学和力学特征。用于骨缺损的支架要满足一定的要求，要有与天然骨相似的特性。在骨支架中的应用方面，纳米复合材料具有独特的力学特性，研究材料在纳米尺寸内的精细结构对于种子细胞的增殖分化等方面的影响是目前骨组织工程支架材料研究的一个热点，应用前景广阔。支架微结构是一个重要的设计变量，它不仅决定着支架的力学性能，还影响着种子细胞渗入的能力及营养物质、氧气、废物的运输能力。
不同的材料制作方法各有优势和局限性，所得到的支架结构和性能也有很大差异。非预设支架往往具有更精细的结构，但是其制作过程不是完全可控的，因此可重复性较差；预设支架的孔径往往较大，对原料要求较高，但有序的设计结构要比自由产生的孔结构性能更好，特别是力学性能。生物衍生骨支架材料具有天然的结构以及与骨组织相匹配的生物力学特征，使其作为组织工程骨支架显示了诱人的应用前景，然而对这种材料的体内作用过程还知之甚少，要实现其临床应用还面临很多挑战。支架材料制作的最大难题是很难实现与天然骨结构相似的微结构系统，从而使其生物力学性能等可以与正常骨质媲美。目前为止，并未找到较为理想的骨支架材料，今后的研究还任重道远。