組織工程需要開發優化的支架，以促進細胞生長、組織發育和再生。骨再生是一個複雜的生物學過程，包括骨祖細胞在損傷組織中的募集，以及利用多孔支架和生長因子誘導組織形成。

理想的支架應滿足多種物理化學和生物需求(如生物相容性、骨導電性、骨誘導性)，並作為3D多孔基質，具有相互連接的開放孔隙，用於細胞生長、增殖、分化和隨後的細胞外基質(ECM)發育。

此外，必須實現穩定的材料-組織界麵以及足夠的機械強度和可控的降解速率，以提供結構完整性，直到所需的組織自然再生[1]。近年來，納米壓痕技術在軟組織生物組織領域獲得了極大的關注，並迅速被用於研究支架的力學性能，模擬軟組織，以及闡明濕環境下降解過程的影響。特別是在潮濕條件下，測量的準確性需要新的方法和技術，因為水凝膠具有依賴時間的孔隙-彈性或孔隙-粘-彈性行為，液體毛細管作用和適當的表麵檢測增加了主要的挑戰[2,3]。

納米結構水凝膠支架在組織工程領域得到了廣泛的研究，因為它們提供了一種高度水膨脹的聚合物網絡，類似於天然結締組織的結構複雜性。其3D結構主要由化學或物理交聯的親水聚合物(天然或合成)組成，其在水介質中膨脹的能力導致細胞被包裹在支架內，並具有高的氧、營養物質和細胞代謝物[4]的滲透性。

骨替代物的多孔性是前提條件，在體內植入時，可以使種子細胞密度高，支持新生血管的形成。此外，多孔結構增加了植入支架與周圍自然組織之間的機械聯鎖，在臨界界麵[5]提供了增強的機械穩定性。孔隙大小與成骨細胞活性之間的關係尚未完全確定;然而，由大孔(孔徑≥50 μ m)和微孔(孔徑≤10 μ m)組成的多孔網絡已被證明對生長[6]中的新組織有益。此外，通過改變孔隙參數，支架的生物降解速率也會受到影響，因為更高的孔隙率會增加單位體積的表麵積。

目前，具有內部多孔網絡的水凝膠支架的製備方法多種多樣，如氣體發泡、溶劑鑄造和顆粒浸出、熱誘導相分離或冷凍幹燥[7]。這些技術的缺點主要來自於對劇毒有機溶劑的利用，不完全清除聚合物結構中的殘留物，以及缺乏對孔隙的互聯性的完全控製。此外，這些方法大多無法生產出具有定製孔徑和形狀的支架。為了克服這些限製，可以采用增材製造方法來設計和製造具有特定複雜結構的3D支架。其中最具前景的技術包括3D打印和更具體的水凝膠支架[8]的直接墨水書寫。在此過程中，從計算機斷層掃描數據集創建一個支架的虛擬3D模型，隨後，材料從注射器噴嘴以一種一層一層的方式擠壓，從而形成一個良好定義的多孔結構，具有精確控製的互連。此外，在骨組織工程中，利用計算機輔助設計(CAD)程序，3D打印成為直接製造個性化植入物的通用工具。

參考文獻

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引用:Brasinika D, Dragatogiannis D, Charitidis CA(2015)用於骨組織再生的水凝膠納米結構3D支架:性能和工具。Int Nanomed Nanosurg 2(1): doi http://dx.doi.org/10.16966/2470-3206.e103

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出版的曆史:

收到日期:2015年12月18日

接受日期:2015年12月21日

發表日期:2015年12月27日