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由于骨折的不愈合、延迟愈合、感染等病理性因素等造成的骨缺损是目前常见的临床疾病。尽管已有许多骨移植材料进入了临床应用阶段，如同种异体骨、灭活异种骨、生物陶瓷等。该类移植材料往往塑性能力差，且不具备生物活性，且面临着免疫排斥或植入性感染的风险。近年来，利用干细胞、生物工程支架或活性因子科学整合的骨组织工程材料是一种很有应用前景的方案。
如何在细胞水平和分子水平构建具有生命力的细胞生物材料复合体来实现骨修复与再生？这是骨修复相关领域研究者都会思考的问题。那么，站在组织工程学的角度，大家都会从支架、种子细胞、生长因子这三大要素出发，设计材料的创新点。 从仿生学观点来看光固化水凝胶材料作为骨组织工程支架的设计，不难发现，这类凝胶材料的选择其实是有迹可循的。
接下来， EFL从模仿骨修复微环境的必要功能点，即仿生学角度 为大家详细展开讨论，让大家对这类材料有“知其然也知其所以然”的清晰认知。
01
模拟骨生长细胞外基质
骨生长细胞外基质（ECM）包含有机成分和无机成分，无机成分以结晶的羟基磷灰石（HA）、磷酸三钙形式存在，主要起到介导生物矿化、诱导成骨及提供可塑性、抗压性等性能；有机成分以 Ⅰ型胶原 为主，以及 糖胺聚糖 、非胶原糖蛋白，主要起到 促进细胞生长增殖 、诱导干细胞、成骨细胞分化及参与信号传导等性能[1]。
从构成的聚合单元来看 ，EFL现有光固化水凝胶材料可分为 蛋白和多糖类 ， 其中GelMA、SilMA属于蛋白类，这类材料可以提供细胞的黏附位点，提高成骨细胞的着床能力；HAMA、AlgMA、ChSMA等属于多糖类，这类材料可提供细胞增殖的微环境 。因此可选的蛋白类光固化水凝胶材料有 GelMA、SilMA，可模拟胶原蛋白的空间结构 ；可选的多糖类水凝胶材料有 HAMA、AlgMA、ChSMA等。（PS:这些光固化材料的合成原料在骨组织工程修复领域的出现频率较高）
02
提高骨传导性及机械性能
从某种意义上讲，骨生长细胞外基质（ECM）是一种“砖”和“泥”的关系，水凝胶的选择即是“泥”的选择。水凝胶与生物陶瓷复合后，可以起到互补作用，以实现协同治疗骨缺损，如陶瓷材料的生物力学性能和骨诱导不足可以通过 黏结性能较好的水凝胶材料 来实现。另外，骨组织作为承重支撑部位，填补骨缺损的“砖泥”结构需具备 可塑性强、机械性能较高 的优点[2]。
从机械性能可调来看 ，EFL现有光固化水凝胶材料，如 GelMA /HAMA /SilMA /AlgMA /ChSMA /F127DA /PEGDA系列均可根据实验设计（调整浓度、光照时间等）获得可调机械性能的水凝胶结构 。
03
提供细胞、活性因子、药物的递送载体
骨损伤和修复过程涉及多种生长因子的调控，这类 生长因子 在参与调节骨生长、分化以及重塑等多种生物学过程中具有重要作用。如TGF-β超家族的成员，它是骨修复生长的启动基因，诱导成骨细胞生成，对未分化的骨髓干细胞有促进增殖和分化的作用[3]。除了复合活性因子，诱导骨修复的 “小小医生”-功能性种子细胞 也是必需的，如成骨细胞(胚胎骨或新生骨、骨膜)、软骨细胞、骨髓基质干细胞(BMSC)等，它们能大量分泌生长因子，加速骨修复进程[4]。
从药物递送载体构建的角度来看，EFL现有光固化水凝胶材基本上都具备“万物皆可载”的特点。此外，若需实现 生长因子的锚定、种子细胞的黏附增殖，则蛋白类光固化水凝胶材料-GelMA、SilMA是您的不二之选。 尤为显著的是， 基于胶束结构的F127DA可增加疏水药物分散性及有效负载，因此常用来实现活性蛋白及治疗性疏水药物的有效递送。此外，用户可选用“蛋白/药物与光固化水凝胶偶联的小工具”-丙烯酰化聚乙二醇NHS酯（AC-PEG-NHS），以实现目标因子与光固化水凝胶体系的锚定作用，延缓缓释周期，避免药物的突释。
下面，列举一些在创面修复与再生中的应用实例。
1. ACS Applied Materials ＆ Interfaces：用于3D打印的促成骨互穿网络生物墨水
光固化凝胶材料： GelMA
复合功能性活性材料： 纳米硅酸盐(nSi)
研究方法： nSi、GelMA和kCA结合形成了具有离子-共价缠绕网络结构的生物墨水（NICE），利用3D挤出打印后经光固化成型。
研究结果： NICE生物墨水具有3D生物打印骨组织的多种理想特性，包括高打印性能、酶降解性和骨诱导性。
2. ACS Applied Materials ＆ Interfaces：骨再生单元复合脱钙骨框架材料修复大体积骨缺损
光固化凝胶材料：GelMA/HAMA
复合功能性活性细胞：骨髓间充质干细胞（BMSCs)
研究方法：通过微流控技术制备具有成骨微环境仿生的光交联GelMA/HAMA）微凝胶，并接种BMSCs并进行成骨诱导培养构建骨再生单元（BRUs）
研究结果： BRUs可直接注射至裸鼠皮下实现异位成骨（即“可注射骨”）；BRUs也可以复合DBM框架材料构建具有三维形态的组织工程骨，并成功修复兔子胫骨缺损。
3. Biofabrication：3D打印高粘附人工骨膜用于骨修复
光固化凝胶材料：GelMA/SilMA
复合功能性活性细胞：骨髓间充质干细胞（BMSCs)
研究方法：制备得到GelMA、SilMA、多巴胺修饰明胶（GelDA）和氧化石墨烯纳米片复合生物墨水，负载骨髓间充质干细胞，用于生物打印。
研究结果：利用该复合生物墨水打印的生物3D打印人工骨膜，具有良好的细胞活力和高粘附性，在体内外均能有效促进成骨。
原文链接：
https://doi.org/10.1088/1758-5090/acb73e
4. Chemical Engineering Journal具有空间可控刚度和钙供应增强骨再生的酸响应复合水凝胶平台
光固化凝胶材料：F127DA
复合功能性活性材料：碳酸钙纳米离子
研究方法：以F127DA作为模型支架基质材料，以纳米碳酸钙作为复合材料，以提供酸响应性和控制钙供应
研究结果：纳米碳酸钙的酸响应性可导致酸处理下的空间分布，从而有效调节水凝胶支架的力学性能。此外，水凝胶可有效调节Col1、BMP2和OPN的表达，有利于成骨。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125353
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