3D 列印骨骼新突破：洛桑聯邦理工學院研發出模擬天然骨骼結構的自礦化生物材料

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究團隊近期在再生醫學領域發表了一項重大突破：他們開發出一種新型複合材料，該材料不僅能透過 3D 列印成型，還能作為注射墨水使用。這種材料最獨特之處在於，它能在常溫的環境條件下逐漸進行礦化作用，最終轉化為堅硬且類似骨骼的結構。這項研究成果於 2026 年 2 月正式對外公布，標誌著骨組織工程技術已成功擺脫對高溫製程的依賴，為該領域開闢了全新的發展路徑。

這項創新研究是在 EPFL 的軟物質實驗室（Soft Materials Laboratory, SMaL）中完成的，並由 Esther Amstad 教授領導。該實驗室專精於利用仿生學方法開發微結構聚合物材料，並透過精確控制的礦化過程來強化材料性能。此次研發的核心在於創造出一種以羥基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）為基底的注射墨水，而羥基磷灰石正是構成天然骨骼最主要的礦物質成分。

在墨水的成分設計上，研究團隊加入了嵌入鹼性磷酸酶（Alkaline Phosphatase）的明膠微粒子。當這些墨水被置於含有鈣離子與磷酸根離子的溶液中進行孵育時，該酵素會觸發受控的羥基磷灰石結晶反應，進而引發列印支架的逐漸硬化。Amstad 教授強調，研究目標是開發出一種具備機械性能的 3D 列印墨水，使其強度能與人體脊椎骨及長骨末端（如股骨）中的海綿骨相提並論。

這種複合結構展現了極為優異的強度恢復效率：在礦化過程開始後的短短幾天內，材料的機械特性便能達到接近天然海綿骨的水平，這為患者提供了早期承重的可能性。這項技術克服了傳統羥基磷灰石支架製造方法的局限性，傳統方法通常需要消耗大量能源，且高溫環境會破壞酵素等生物活性成分，而這些成分對於促進骨骼生長至關重要。

為了確保材料具備良好的孔隙結構以利細胞遷入，EPFL 團隊在墨水配方中額外添加了不含酵素的明膠微碎片。在孵育過程中，這些碎片會自然溶解並留下孔隙，成為細胞遷移的通道。研究人員成功精確調控了材料的微觀結構，使其體積孔隙率達到約 50%，這被認為是促進細胞定植與新生骨組織形成的黃金比例。

在後續的細胞實驗中，研究人員將人類幹細胞植入支架，僅經過 14 天的觀察，便在樣本中檢測到了膠原蛋白與骨鈣蛋白的生成。這項發現證實了天然骨骼形成過程已成功啟動。這項成就對於再生醫學具有里程碑意義，因為它同時兼顧了能源效率、高度的生物相容性以及未來大規模生產的潛力。

在室溫下進行礦化的製程大幅降低了生產過程中的碳足跡與製造成本。此外，由於支架內部保留了酵素活性，使得材料在列印完成後仍能持續「成熟」，並根據患者的具體生理條件進行適應性調整。對比測試數據顯示，這種經由酵素活化的羥基磷灰石支架在抗壓強度上完全不遜於人類海綿骨，甚至優於許多透過傳統高溫燒結法製成的材料。

海綿骨與結構緻密的皮質骨不同，其具備高孔隙率與較低剛性的特徵，在脊椎與關節的壓力分配中扮演著核心角色。因此，開發出能精確模擬海綿骨特性的材料，對於加速骨折修復與骨骼重建具有決定性的影響。這項結合了材料科學進步與酵素催化技術的創新方案，預計將深刻改變現有的骨科創傷治療與相關疾病的臨床處理方式。