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，若不經(jīng)外科干預將導致嚴重殘疾。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)，常導致移植骨核心區(qū)域細胞活性差、與宿主骨整合不良。

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

二、研究內(nèi)容

1. 支架設(shè)計與制備

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，通過負載血管生成藥物DFO（去鐵胺）和骨生成生長因子BMP2，實現(xiàn)血管與骨的耦合再生。具體設(shè)計如下：

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

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。
• 藥物負載效率：DFO-HNTs負載效率達89.24%，BMP2-微球負載效率達81.49%。
• 釋放動力學：DFO在1周內(nèi)快速釋放，BMP2持續(xù)釋放超過3周，符合骨修復早期血管化與長期骨生成的生理需求。

3. 體外生物學評價

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

4. 體內(nèi)異位成骨實驗

• 實驗模型：32只8周齡雄性SD大鼠皮下植入不同組支架，3周后取材進行組織學分析。
• 血管化與骨生成：PLGA/TCP+HNT+MS支架組顯著促進新生血管形成（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型巨噬細胞）與iNOS（M1型巨噬細胞）染色表明，支架未引起額外炎癥反應(yīng)，生物相容性良好。

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，通過負載DFO-HNTs與BMP2-微球，實現(xiàn)了：

• 時空可控的序貫釋放：DFO在1周內(nèi)快速釋放促進早期血管化，BMP2持續(xù)釋放3周以上維持長期骨生成，與天然骨修復級聯(lián)過程同步。
• 增強的體外生物學性能：顯著促進BMSCs成骨分化與HUVECs血管生成，細胞-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)骨相似的力學強度（壓縮模量5.5 MPa），宏微觀多孔結(jié)構(gòu)利于組織長入與藥物擴散，為大段骨缺損修復提供了新策略。

四、論文信息

論文標題：3D-printed scaffold with halloysite nanotubes laden as a sequential drug delivery system regulates vascularized bone tissue healing

期刊名稱：Materials Today Advances

發(fā)表時間：2022年5月26日（在線發(fā)表）

DOI：10.1016/j.mtadv.2022.100259