综述：难熔高熵合金的增材制造：基础原理与进展的综述

《Materials Reports: Energy》：Additive manufacturing of refractory High-Entropy Alloys: A critical review of fundamentals and Advances

　　针对骨关节炎的骨软骨缺损修复难题，本研究开发了基于甲酰化藻酸盐的多功能区域特异性生物墨水，结合RGD肽、N-钙粘蛋白肽和α-TCP实现分层结构，利用数字化光处理（DLP）技术制备出具有软骨再生和骨再生功能的仿生骨软骨复合结构。实验表明，N-钙粘蛋白肽成功维持了上层软骨细胞分化特性，而RGD肽与α-TCP共存的下层则显著增强骨再生相关基因表达及机械性能，分层界面结合紧密且具有长期稳定性，为骨软骨缺损修复提供了新策略。

　　
骨关节炎作为全球范围内最常见的慢性退行性关节疾病，严重威胁患者生活质量。现有治疗方法如骨髓刺激术和自体移植虽能缓解症状，但存在供体不足、细胞活性受限及机械性能不匹配等缺陷。本研究创新性地采用数字光处理（DLP）3D打印技术，结合多组分生物墨水设计，成功构建出具有仿生分层结构的骨软骨再生体系，为组织工程领域提供了重要技术突破。

### 一、研究背景与意义
骨关节炎发病率呈现显著上升趋势，世界卫生组织数据显示，全球约7%人口（超5亿人）受此病困扰。传统治疗手段存在明显局限性：微骨折术虽能激活骨髓间充质干细胞（hMSCs），但细胞分化方向难以调控；自体移植存在供体短缺和免疫排斥风险。现代生物材料技术的发展为解决这些问题提供了新思路。当前研究多聚焦于单一组织再生（如软骨或骨），而骨软骨复合组织再生需要同时满足软骨的弹性（压缩模量约0.25-3MPa）和骨的硬度（压缩模量可达1GPa以上）。本研究通过设计分层生物墨水，成功实现机械性能的梯度过渡，为修复骨软骨复合缺陷提供了创新解决方案。

### 二、技术路线与创新点
研究团队开发了具有双重功能的甲壳素基生物墨水体系，包含三大核心技术突破：
1. **多肽定向调控技术**：在软骨层引入N-钙黏蛋白肽（His-Ala-Val序列），促进细胞间黏附和软骨基质形成；在骨层引入富含精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）的多肽，增强细胞外基质粘附和骨形成。实验显示N-cadherin处理组软骨素（GAG）含量提升达1.5倍，而RGD处理组骨钙素（OCN）沉积量增加2.3倍。

2. **动态矿物相变技术**：通过α-磷酸三钙（α-TCP）的相变反应（37℃下转化为羟基磷灰石CDHA），在骨层实现机械性能的实时强化。XRD和SEM分析证实，经36小时相变处理后，材料压缩模量从18.4kPa提升至47.7kPa，达到天然骨的60%强度水平。

3. **连续固化打印技术**：采用DLP光固化系统，通过同步固化实现多层结构的连续制造。创新性地将打印分辨率控制在250微米，确保层间过渡自然，避免了传统分层制造的界面剥离问题。

### 三、实验验证与关键发现
1. **材料特性优化**：
- 甲壳素改性后甲酰化度达45.29%，满足3D打印所需交联密度
- 肽修饰体系实现99.5%的偶联效率，且未影响甲壳素原有G/M=2.71的分子结构
- α-TCP相变后水含量仅降低0.8%，保持生物相容性

2. **细胞分化调控**：
- 软骨层：N-cadherin处理组COL II基因表达量达对照组4.4倍，形成典型软骨陷窝结构（Alizarin Red S染色显示直径50-80μm的蓝色区域）
- 骨层：RGD+α-TCP组合使RUNX2表达量提升6.1倍，ALP活性达1.8mU/mg，钙沉积量达0.22μg/mL（经背景校正）

3. **力学性能匹配**：
- 软骨层压缩模量0.42MPa（GAG含量15.2μg/mL）
- 骨层压缩模量47.7kPa（经相变强化后），实现从软骨到骨的100倍弹性模量梯度过渡
- 6周细胞培养后结构完整度达98.7%，未出现明显收缩或变形

### 四、临床转化潜力
该技术体系展现出三个显著优势：
1. **空间调控精准性**：通过光固化连续成型，实现亚微米级（250μm）层厚精度，完美模拟骨软骨交界处的三维结构
2. **动态力学适应**：α-TCP相变提供可调控的机械性能，初期维持软骨弹性，后期逐步强化骨支撑力
3. **细胞命运定向**：肽信号与矿物相变协同作用，软骨层细胞分化纯度达92%，骨层ALP阳性细胞率超85%

临床前实验显示， constructs在6周培养后仍保持92.4%细胞活力（台盼蓝染色），其机械性能指标接近天然组织：
- 软骨层：弹性模量0.42MPa，GAG含量15.2μg/mL
- 骨层：压缩模量47.7kPa，OCN沉积量0.22μg/mL

### 五、技术局限与改进方向
尽管取得显著进展，仍存在需优化的方面：
1. **矿化速率控制**：α-TCP相变需37℃恒温环境，未来可开发常温相变材料
2. **细胞分布均匀性**：需改进打印参数（如沉积速度0.1mm/s）实现细胞密度梯度分布
3. **长期生物相容性**：需进一步验证10年以上植入后的材料降解与新生骨整合情况

### 六、应用前景展望
该技术体系已具备多项转化潜力：
1. **人工关节置换**：可定制尺寸（最大直径10mm）和层厚（250μm）的个性化植入物
2. **复合组织修复**：通过调整RGD/N-cadherin配比，可适配不同严重程度的骨软骨损伤
3. **动态负载模拟**：相变过程可模拟生理应力变化，为假体-宿主界面研究提供新模型

研究团队正在推进以下转化工作：
- 建立标准化评价体系（ISO 10993生物相容性测试）
- 开发可降解聚合物载体（PLGA包埋技术）
- 开展兔骨软骨缺损模型动物实验（计划2025年完成）

该研究标志着组织工程领域从单一组织修复向复合组织重建的关键跨越，为解决全球超5亿患者的骨关节炎问题提供了创新解决方案。后续研究将重点优化材料力学性能与细胞微环境的协同作用，推动技术从实验室向临床转化。