學(xué)術(shù)分享 I 3D打印支架負(fù)載埃洛石納米管，構(gòu)建序貫釋藥體系，協(xié)同促血管化與成骨修復(fù)。

該研究構(gòu)建了一種3D打印序貫藥物遞送支架，通過負(fù)載促血管化藥物DFO于埃洛石納米管、促成骨因子BMP2于殼聚糖微球，實(shí)現(xiàn)早期血管生成與長(zhǎng)期骨生成的時(shí)空協(xié)調(diào)調(diào)控，顯著促進(jìn)大段骨缺損的血管化骨組織再生。

2025-10-13 14:15:14深圳森工科技有限公司

一、研究背景

大段骨缺損通常由腫瘤、創(chuàng)傷或感染引起，無法通過自體修復(fù)，若不經(jīng)外科干預(yù)將導(dǎo)致嚴(yán)重殘疾。傳統(tǒng)的自體或異體骨移植存在感染、排斥反應(yīng)和供體不足等問題，且由于缺乏足夠的血管供應(yīng)，常導(dǎo)致移植骨核心區(qū)域細(xì)胞活性差、與宿主骨整合不良。

骨修復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的多階段過程，涉及血管生成和骨生成的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，需多種生長(zhǎng)因子（如FGFs、VEGF、BMP2）順序調(diào)控。然而，現(xiàn)有研究常將不同生長(zhǎng)因子以相同方式混合負(fù)載于支架中，導(dǎo)致釋放動(dòng)力學(xué)無差異，無法協(xié)調(diào)血管生成與骨生成的不同時(shí)間需求。例如，血管化僅在缺損后約一周內(nèi)發(fā)生，而骨生成則需長(zhǎng)期持續(xù)刺激。因此，如何實(shí)現(xiàn)血管生成與骨生成信號(hào)的序貫遞送，成為骨組織工程領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

二、研究?jī)?nèi)容

1. 支架設(shè)計(jì)與制備

本研究提出一種基于低溫沉積3D打印技術(shù)的序貫藥物遞送支架，通過負(fù)載血管生成藥物DFO（去鐵胺）和骨生成生長(zhǎng)因子BMP2，實(shí)現(xiàn)血管與骨的耦合再生。具體設(shè)計(jì)如下：

DFO負(fù)載：利用埃洛石納米管（HNTs）的負(fù)電表面通過靜電作用吸附正電的DFO，實(shí)現(xiàn)早期快速釋放（1周內(nèi)），促進(jìn)缺損區(qū)預(yù)血管化。
BMP2負(fù)載：采用殼聚糖微球（MS）通過離子交聯(lián)法包載BMP2，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期持續(xù)釋放（3周以上），持續(xù)誘導(dǎo)骨生成。
支架成型：將負(fù)載DFO的HNTs和負(fù)載BMP2的微球混合于PLGA/TCP溶液中，通過低溫沉積3D打印（-25℃）制備圓柱形支架，避免藥物失活。

圖1. 低溫3D打印制備負(fù)載DFO-HNTs與BMP2-MS的支架及其體外細(xì)胞調(diào)控與皮下異位成骨的生物學(xué)功能示意圖

2. 材料表征與藥物釋放

形貌與尺寸：BMP2-殼聚糖微球表面光滑，直徑約18.29±3.00 μm；DFO-HNTs呈針狀，長(zhǎng)度200-1300 nm；支架絲間距約349.82±52.56 μm，絲寬627.81±69.02 μm。
藥物負(fù)載效率：DFO-HNTs負(fù)載效率達(dá)89.24%，BMP2-微球負(fù)載效率達(dá)81.49%。
釋放動(dòng)力學(xué)：DFO在1周內(nèi)快速釋放，BMP2持續(xù)釋放超過3周，符合骨修復(fù)早期血管化與長(zhǎng)期骨生成的生理需求。

圖2. 藥物載體與支架表征。(a) 低溫沉積3D打印支架實(shí)物圖；(b) BMP2-殼聚糖微球SEM圖；(c) DFO-HNTs TEM圖；(d) 支架宏觀結(jié)構(gòu)；(e) 不同組支架微觀結(jié)構(gòu)；(f) 支架壓縮強(qiáng)度；(g,h) BMP2與DFO釋放曲線

3. 體外生物學(xué)評(píng)價(jià)

細(xì)胞相容性：大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，PLGA/TCP+HNT+MS支架顯著促進(jìn)細(xì)胞增殖、鋪展與黏附，無納米毒性。
成骨分化：ALP活性、骨鈣素（OCN）表達(dá)及成骨相關(guān)基因（Runx2、Osterix、OPN、Col1a）顯著上調(diào)，表明BMSCs向成骨細(xì)胞分化增強(qiáng)。
血管生成：DFO釋放促進(jìn)HUVECs增殖與黏附連接形成，完全填充支架大孔，形成類毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)。

圖3. (a) BMSCs活/死染色；(b) CCK-8細(xì)胞增殖檢測(cè)；(c) 第7天細(xì)胞骨架染色

圖4. (a) BMSCs骨鈣素免疫熒光；(b) HUVECs CD31免疫熒光；(c) ALP活性；(d) 成骨相關(guān)基因表達(dá)

4. 體內(nèi)異位成骨實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/span>32只8周齡雄性SD大鼠皮下植入不同組支架，3周后取材進(jìn)行組織學(xué)分析。
血管化與骨生成：PLGA/TCP+HNT+MS支架組顯著促進(jìn)新生血管形成（CD31染色）、膠原纖維沉積（Masson染色）及鈣結(jié)節(jié)生成（茜素紅染色）。
炎癥反應(yīng)：CD206（M2型巨噬細(xì)胞）與iNOS（M1型巨噬細(xì)胞）染色表明，支架未引起額外炎癥反應(yīng)，生物相容性良好。

圖5. (a) 植入3周后組織實(shí)物圖；(b) HE染色；(c) M1/M2型巨噬細(xì)胞免疫熒光

圖6. (a) CD31免疫組化；(b) Masson染色；(c) 茜素紅染色及定量統(tǒng)計(jì)

三、研究結(jié)論

本研究成功構(gòu)建了一種基于低溫沉積3D打印技術(shù)的序貫藥物遞送支架，通過負(fù)載DFO-HNTs與BMP2-微球，實(shí)現(xiàn)了：

時(shí)空可控的序貫釋放：DFO在1周內(nèi)快速釋放促進(jìn)早期血管化，BMP2持續(xù)釋放3周以上維持長(zhǎng)期骨生成，與天然骨修復(fù)級(jí)聯(lián)過程同步。
增強(qiáng)的體外生物學(xué)性能：顯著促進(jìn)BMSCs成骨分化與HUVECs血管生成，細(xì)胞-支架相互作用良好。
高效的體內(nèi)異位成骨：在大鼠皮下模型中實(shí)現(xiàn)快速血管化與高質(zhì)量骨樣組織形成，無額外炎癥反應(yīng)。
臨床轉(zhuǎn)化潛力：該支架具備與松質(zhì)骨相似的力學(xué)強(qiáng)度（壓縮模量5.5 MPa），宏微觀多孔結(jié)構(gòu)利于組織長(zhǎng)入與藥物擴(kuò)散，為大段骨缺損修復(fù)提供了新策略。