近期，成都大学附属医院兰海/胡旭麟教授团队和重庆医科大学附属第一医院胡宁教授团队在期刊 Biomaterials Translational上发表综述文章：From the microspheres to scaffolds: advances in polymer microsphere scaffolds for bone regeneration applications。
聚合物微球以其在微纳米尺度上的高比表面积，表现出出色的细胞和药物递送行为。此外，微球具有独特的刚性结构，可采用热烧结、注射、包封等方法进行骨修复微球支架的构建。微球支架不仅保留了微球优异的细胞和药物负载能力，还可以通过三维网络结构辅助骨再生。文章对聚合物微球支架在骨修复中的应用进行总结和讨论，旨在促进其在骨修复领域的临床转化。
研究内容简介
全球每年有数百万人因感染、肿瘤切除和创伤损伤而遭受骨组织破坏和丢失进而需要进行骨移植。在正常生理条件下，骨组织具有独特的自愈能力。然而，骨缺损常伴有复杂的病理（如糖尿病、遗传和感染的合并症）以及超过关键尺寸的骨丢失增加了骨软骨分离和骨愈合延迟的风险。人工骨支架是一种更安全、更简单、更可行的骨移植物，可以填充骨缺损部位，同时维持缺损区域的生理环境促进骨再生。理想的人工骨支架在促进骨再生方面保持3个主要的生物学特性：骨传导、骨诱导和骨整合特性。然而，以钛合金为代表的第一代人工支架因其骨组织整合不良和骨诱导性能低而无法满足当今骨缺损治疗的需求，负载活性分子的第二代支架和结合细胞载药的第三代支架已成为新型人工骨修复支架的研究热点方向。
微球作为一种具有高比表面积的微纳米级材料，具有良好的载细胞和药物控释行为，已被应用于生物治疗的各个领域。此外，微球由于其独特的刚性形状结构，可单独或组合组装成具有三维多孔结构的组织工程支架，主要分为基于微球的支架和结合微球支架。微球支架根据制备方法分为可注射微球支架和烧结微球支架。烧结微球支架主要由固体微球组装而成，可通过加热至玻璃化转变温度（Tg）和溶剂粘接的方法来实现松质骨的机械强度可注射微球支架将微球包裹在水凝胶中，不仅利用了水凝胶优异的亲水性和生物相容性，还利用了其与天然细胞外基质（ECM）的相似性和可注射性，使其能够填充到局部组织中以达到治疗目的，并可控制药物的释放，用于骨组织的再生原位修复结合微球支架巧妙地结合了微球和其他类型支架的优点，利用微球作为药物载体和细胞转运载体，通过静电吸附和表面黏附的方式与现有支架构建，也可以利用微球在支架内部形成网状的孔洞，促进支架的吸收，以及细胞的定向增殖和分化。
在本文中，我们从骨再生的机制入手，描述了骨组织的解剖结构以及骨再生过程中涉及的细胞和各种调节因子，为读者提供了更好的理论基础。并分析了目前临床可用的骨再生移植物，提出了理想的骨再生移植物需求和可降解聚合物微球在骨再生中的优势。针对骨再生微球支架，我们总结了其特点和分类，并提出了一些设计策略和性能要求，旨在为骨再生微球支架的构建提供一定的参考（图1）。最后，总结了不同类型微球支架的制备工艺及其在骨组织再生中的应用，并对未来提出了展望。
图1. 不同种类聚合物微球的制备方法、材料及性能要求构建不同类型的骨修复支架。
一、骨再生生理学
骨再生往往伴随着体内复杂的机制。在骨组织破坏的部位，骨骼干细胞被激活并开始分裂，这些分裂细胞分化为成骨细胞和软骨细胞以重建骨组织成骨细胞和软骨细胞通过分泌骨基质蛋白逐渐沉积骨组织，导致纤维骨和软骨逐渐被成熟骨取代。血管生成是骨再生过程中的关键环节，新生的血管将为骨组织提供营养和氧气，并促进成骨细胞的增殖和分化。因此，骨再生的机制是一个复杂的过程，作者从骨组织的结构以及基本的细胞和分子来描述骨再生的生物学过程（图2）。
图2. 骨再生过程中各种细胞和分子的协调。
二、骨再生移植物
2.1 骨移植促进骨再生的机制
理想的骨移植物应具有骨诱导、骨传导和成骨能力三大特点，使移植物与骨组织充分融合。在骨诱导的情况下，间充质干细胞被募集到移植物平台上，然后分化为各种类型的细胞，这些细胞通常受到生长因子、激素和蛋白质的调节。最后，良好的成骨要求移植物具有合成新骨组织的能力，从而促进间充质干细胞、成骨细胞和骨细胞的增殖。无论是新鲜的自体移植物还是宿主体内的外源性移植物，都首先在血肿期形成大量的炎症因子，同时伴随着细胞因子和生长因子的高释放，从而有效募集MSCs和巨噬细胞。随后，在炎症过程中形成纤维化血管组织。松质骨作为骨组织中最大、代谢最活跃的部分，是骨组织修复的主要部位，填充松质骨的移植物通过招募MSCs分化为成骨细胞产生成骨样细胞。经过至少6个月的代谢过程后，类骨矿化形成新骨。与松质骨不同，皮质骨的再生通常由破骨细胞介导，并伴随着数年的增长分化。
2.2 临床植骨的现状
目前，治疗受损或不愈合骨组织的“金标准”仍然是自体或同种异体骨移植，但这也受到骨体积有限、免疫排斥和价格昂贵等缺点的限制。因此，需要设计和研究更长期、有效、安全的移植物，主要分为第一代支架：以独立的方式使用合成支架；第二代支架：负载活性分子的支架；第三代：包含细胞负载疗法的支架。目前，第一代支架已广泛投入I期、II期或III期临床试验，有的甚至广泛应用于临床钛植入物作为第一种金属植入物，具有显著的机械强度，通过结构参数化可以3D打印出与患者解剖结构相对应的钛植入物（NCT03292679、NCT03057223、NCT03242330）。然而，作为第一代骨移植物，它们主要是惰性材料，容易发生非特异性免疫反应和组织无菌性松动。随着时间的推移，这种金属植入物由于应力遮挡而降解为骨组织。第二代骨移植物在第一代的基础上被生物可降解的生物材料包裹和修饰，但由于成骨细胞、ECM和生化信号的共同作用，不能快速愈合骨。此外，作者收集了临床主流的产品，总结了其主要成分和应用规范。
三、骨再生支架的微球制备
3.1 骨再生支架的微球设计
近年来，微尺度调控可影响组织工程支架的理化性质以及对细胞黏附、增殖和分化行为的调节，同时其微结构可模拟天然骨组织的小梁结构，进一步提高移植物的骨整合性能。聚合物微球作为微米级材料的代表，由于其独特的控释能力长期以来一直用于药物递），以及其高比表面积比以允许更好地与周围界面结合，已被广泛应用于医学的各个领域。此外，微球作为能够与生物活性因子和干细胞结合以实现时空序列梯度释放的独立微小单位，以及多孔微球、核壳微球和Janus微球等复杂结构可以通过各种制备手段获得，使其成为设计多层次结构和生物界面整合的理想工具。由可降解和不可降解材料制备的聚合物微球已被研究用于不同的应用。然而，不可生物降解的聚合物植入后不能有效去除。此外，这些聚合物无法实现微球的药物控释速率。与不可降解的生物医用材料微球相比，可降解微球表现出许多优势，(a)良好的生物相容性，(b)生物可降解性，(c)产品质量和可重复性可控，(d)聚合物降解速率可通过改变摩尔比或粘度来调节。基于可降解材料制备的多功能微球具有固有的特性，非常适合作为药物的控释载体用于各种组织的功能修复。由于这些原因，关于由微球组成的支架或将微球作为一种成分包含在其他支架中的研究越来越多。
3.2 可降解聚合物微球材料
可降解材料是指使用后在一定条件或时间内短时间内化学结构发生明显变化，导致物理性能下降，最终被环境吸收的材料。目前合成的生物可降解聚合物微球种类较多，主要分为天然聚合物和人工合成聚合物。在本节中，我们回顾了生物可降解材料的种类以及通过不同的制备方法获得的具有不同性质的聚合物微球（图3）。
图3. 不同材料构建的聚合物微球的性能优势。
3.3 可降解聚合物微球的制备
可降解微球具有多种形态，如球体、微胶囊、聚合物胶体和微凝胶微球构建方法通常包括单/双乳液溶剂蒸发法、喷雾干燥法、相分离法、简单凝聚法和复杂凝聚法以及界面聚合法。这些方法制备的微球最严重的应用限制是粒径分布较宽。然而，特定的释放速率和期望的给药途径通常需要特定的球体大小和粒径分布。这部分描述了两个基本部分：用于创建可降解微球的物理和化学方法（图4）。
图4. 微球的制备工艺不同。
四、骨再生微球支架
4.1 骨再生微球支架的性能要求
骨修复支架的灵感来源于天然骨的结构和生理，合成聚合物微球支架作为一种理化性质可调的组织工程支架，也需要适应理想的骨支架性能（图5）。众所周知，合适的孔径可以有效促进细胞增殖和营养物质的运输和代谢。因此，利用微球之间的相互作用可以有效地改善支架内的微孔通道以及整体孔隙大小。微球独特的表面结构使得在微球与微球支架的相互作用下有效改善支架的力学性能成为可能，特别是对于烧结微球支架，其孔隙率和机械强度由烧结微球之间的结合程度来控制。人工骨的形状往往取决于骨缺损部位的解剖结构，随着疾病的复杂性和个体患者不同的缺损部位，需要骨修复支架来适应不同的缺损大小和形状，通过注射水凝胶和具有形状记忆的支架可以很好地整合到骨缺损的界面以满足填充的各向异性。此外，各种类型的微球支架都具有良好的生物相容性、可降解性和不同的功能化要求。
图5. 基于松质骨结构和功能构建微球支架。
4.2 烧结微球支架
为了显著提高微球支架的力学性能，有效改善大小微孔的孔径，Borden等开发了烧结成型微球支架。这种烧结支架制备技术将单个微球融合形成具有孔结构的松质样骨支架结构。目前微球支架的烧结技术包括热烧结、二氧化碳烧结、溶剂烧结和激光辅助烧结。其中，热烧结和激光烧结的基本原理是通过提高微球聚合物的Tg来实现烧结，而溶剂烧结和二氧化碳烧结分别是通过添加二氯甲烷型有机溶剂来促进微球融合和改变亚临界CO2的压力来实现融合的两种烧结方法。此外，烧结微球支架的性能在制备过程中主要受一些常见因素的影响，如Tg、粘度、分子量、结晶度和表面张力等。在本节中，我们将介绍不同类型的微球支架的烧结方法，并详细阐述其烧结影响因素所带来的性能变化（图6A）
图6. 烧结微球的制备与应用。
4.3 可注射微球支架
水凝胶微球是一种微或亚微米大小的凝胶分散体系，具有可注射性、粒径小、比表面积大、宿主集成性强等优点。基于可注射微球的组织工程支架已被用于软骨、关节炎和神经修复，其简单的可操作性和优良的载药性能使骨缺损的原位再生成为可能（图7A）。本节重点介绍聚合物和水凝胶可注射微球支架的应用进展。
图7. 可注射微球支架的制备及应用。
4.4 复合微球支架
虽然烧结支架具有良好的力学性能，但其理论孔隙率普遍远低于松质骨，且其固体结构通常无法快速释放所载的活性药物分子，从而影响骨组织生长周期中小血管和肉芽组织的生长，从而减缓骨愈合可注射微球支架在具有良好生物相容性的同时，可以有效地进行干细胞和活性因子的负载，实现骨组织在缺损部位的原位生长，但其较低的力学性能往往无法满足承重骨缺损部位的填充修复。因此，将微球制备技术与传统支架加工技术（冷冻干燥、静电纺丝、3D打印、气体发泡技术等）相结合，将微球支架纳入研究是当前研究的热点问题（图8A）。
图8.复合微球支架的制备及应用。
五、前景与挑战
本文从四个方面对聚合物微球在骨组织工程中的应用进行综述。在第一部分中，我们首先阐述了骨再生的机制，从解剖结构、血管再生、成骨细胞代谢、骨再生的生物学过程等方面描述了骨再生的过程，以及涉及的信号通路和调控因子，为后续微球支架的设计提供了生理学基础。在第二部分中，我们总结了骨再生移植物的各种需求。理想的骨移植特性包括骨诱导、骨传导和促进成骨分化。本节将对目前临床应用的骨再生植骨进行概述，包括其主要成分和应用规范。第三部分总结了骨再生微球支架的设计视角、材料来源和制备方法，并提出了相应的性能要求，包括力学性能、降解行为和药物递送性能。在第四部分中，我们从骨再生微球支架的制备开始，分为烧结微球支架、注射微球支架和微球包裹支架。讨论了各种微球支架在骨修复中的应用，包括作为细胞和药物的载体或作为组织工程支架。
未来，如何推动微球支架向骨再生方向发展，相信可以从组织工程支架的构建入手，即如何设计支架，如何选择有效成分。目前的研究热点包括ECM的仿生模拟、成骨细胞行为的靶向调控以及响应性药物释放系统等。近年来，通过制备工艺和材料选择，可针对不同骨组织缺损制备个性化微球支架。例如，它可以参与反应过程中代谢产物的清除，包括CO2、ROS等。综上所述，微球的发展为骨再生支架的制备提供了一种新的治疗方法。载药微球的制备仍有许多需要解决的问题和挑战。随着临床医学、材料科学和生物技术的发展，我们相信可以通过多学科合作解决上述挑战，为骨再生提供良好的解决方案。
论文第一/通讯作者简介
杨舒皓（第一作者）：
重庆医科大学骨科学2023级学术型研究生（原成都大学2018级本科）
邬浩明（共一作者）：
成都大学基础医学院2024级研究生（原成都大学2019级本科）
彭超（共一作者）：
彭超，成都大学附属医院骨一科主任，副主任医师，副教授。现任四川省老年学学会老年骨科专委会副主任委员，成都市医学会骨科专委会副主任委员，成都市骨科质量控制中心业务主任，成都高新医学会运动医学专委会副主任委员，主持及参与各级课题多项。发表论文10余篇。
兰海（通讯作者）：
兰海，男，教授，硕士研究生导师，临床医学博士，医学人工智能博士后，四川省卫生健康学术技术带头人，现任成都大学临床医学院/成都大学附属医院副院长，长期从事生物3D打印与组织工程学生物材料研究。担任中华康复医学会智能康复专委会委员，中华医学会四川省分会骨科专委会委员、足踝学组副组长，中华医学会四川省分会医用机器人及智能化专委会常务委员等学术兼职。现主持四川省科技计划面上项目、四川省卫生健康委科技项目、成都市医学科研课题等科研项目，并主研国家自然科学基金重点项目。迄今在国内外权威学术期刊发表论文30余篇，授权实用新型发明专利2项，受邀担任《中华创伤骨科》、《中国组织工程研究》等杂志审稿人，获得四川省医学科技三等奖1项，获得成都市医学科技三等奖1项，获得四川省科技进步奖三等奖1项。
胡宁（通讯作者）：
胡宁，重庆医科大学附属第一医院博士生导师、教授、主任医师，美国芝加哥大学博士后，重庆医科大学骨科实验室副主任。重庆英才·创新领军人才、重庆中青年医学高端人才、学术带头人储备人才等。担任重庆医学会骨科专委会委员兼秘书、重庆医学会运动医疗分会副主委。主要研究领域是胞内感染、分子信号通路骨组织工程修复。主持国家自然科学基金面上项目3项，重庆市技术创新与应用发展专项面上项目1项，重庆市科卫联合医学科研重点项目1项等。近五年以第一作者、通讯作者在Science Advances、Bioactive Materials、Advanced Functional Materials、Advanced science、Bone Research等杂志发表论文40余篇。获得国家实用新型专利6项。参与编写中华人民共和国国家标准-外科植入物用多孔钽材料（GB/T36983—2018），《骨关节炎临床药物治疗专家共识》执笔专家。
胡旭麟（通讯作者）：
胡旭麟，成都大学医用机器人交叉学科研究中心负责人，四川大学生物国家重点治疗实验室博士后，主要方向为3D打印，聚合物合成与加工，生物医用材料。以第一作者和通讯作者在Advanced Functional Materials, Bone Research, Small等杂志累计发表SCI二十余篇。主持国家自然科学基金青年基金，中央引导地方科技发展资金项目，四川省自然科学基金等多项课题。担任Journal of biomaterials and tissue engineering和Material Express編委；Exploration，Chinese Chemical Letters，International journal of bioprinting，Biomaterials Translational和View杂志青年编委；担任依托于苏州智能先进研究院成立的Engineering for life（3D打印国产龙头企业）科学顾问，四川省医师协会科技创新学组副组长；担任高新医学会骨科分会常务委员；担任中国生物医药技术协会3D打印分会委员；中华口腔医学会口腔材料青年委员等。
资助信息
本研究得到了国家自然科学基金（No. 82402822, 32200559, 82372425），四川省自然科学基金（No. NSFSC5880, NSFSC1291），成都医学科研项目（No. 2022004），成都大学临床医学院及附属医院自然科学基金资助项目（No. 5802）；Y202206)和中国博士后科学基金（2021M702364）的资助。
原文信息
标题：
Yang, S.; Wu, H.; Peng, C.; He, J.; Pu, Z.; Lin, Z.; Wang, J.; Hu, Y.; Su, Q.; Zhou, B.; Yong, X.; Lan H.; Hu, N.; Hu, X. From the microspheres to scaffolds: advances in polymer microsphere scaffolds for bone regeneration applications. Biomater Transl. 2024, 5(3), 274-299.
链接：
http://www.biomat-trans.com/EN/10.12336/biomatertransl.2024.03.005
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