一、研究背景

大段骨缺损通常由肿瘤、创伤或感染引起，无法通过自体修复，若不经外科干预将导致严重残疾。传统的自体或异体骨移植存在感染、排斥反应和供体不足等问题，且由于缺乏足够的血管供应，常导致移植骨核心区域细胞活性差、与宿主骨整合不良。

骨修复是一个复杂的多阶段过程，涉及血管生成和骨生成的级联反应，需多种生长因子（如FGFs、VEGF、BMP2）顺序调控。然而，现有研究常将不同生长因子以相同方式混合负载于支架中，导致释放动力学无差异，无法协调血管生成与骨生成的不同时间需求。例如，血管化仅在缺损后约一周内发生，而骨生成则需长期持续刺激。因此，如何实现血管生成与骨生成信号的序贯递送，成为骨组织工程领域的关键挑战。

二、研究内容

1. 支架设计与制备

本研究提出一种基于低温沉积3D打印技术的序贯药物递送支架，通过负载血管生成药物DFO（去铁胺）和骨生成生长因子BMP2，实现血管与骨的耦合再生。具体设计如下：

• DFO负载：利用埃洛石纳米管（HNTs）的负电表面通过静电作用吸附正电的DFO，实现早期快速释放（1周内），促进缺损区预血管化。
• BMP2负载：采用壳聚糖微球（MS）通过离子交联法包载BMP2，实现长期持续释放（3周以上），持续诱导骨生成。
• 支架成型：将负载DFO的HNTs和负载BMP2的微球混合于PLGA/TCP溶液中，通过低温沉积3D打印（-25℃）制备圆柱形支架，避免药物失活。

2. 材料表征与药物释放

• 形貌与尺寸：BMP2-壳聚糖微球表面光滑，直径约18.29±3.00 μm；DFO-HNTs呈针状，长度200-1300 nm；支架丝间距约349.82±52.56 μm，丝宽627.81±69.02 μm。
• 药物负载效率：DFO-HNTs负载效率达89.24%，BMP2-微球负载效率达81.49%。
• 释放动力学：DFO在1周内快速释放，BMP2持续释放超过3周，符合骨修复早期血管化与长期骨生成的生理需求。

3. 体外生物学评价

• 细胞相容性：大鼠骨髓间充质干细胞（BMSCs）与人脐静脉内皮细胞（HUVECs）共培养实验表明，PLGA/TCP+HNT+MS支架显著促进细胞增殖、铺展与黏附，无纳米毒性。
• 成骨分化：ALP活性、骨钙素（OCN）表达及成骨相关基因（Runx2、Osterix、OPN、Col1a）显著上调，表明BMSCs向成骨细胞分化增强。
• 血管生成：DFO释放促进HUVECs增殖与黏附连接形成，完全填充支架大孔，形成类毛细血管结构。

4. 体内异位成骨实验

• 实验模型：32只8周龄雄性SD大鼠皮下植入不同组支架，3周后取材进行组织学分析。
• 血管化与骨生成：PLGA/TCP+HNT+MS支架组显著促进新生血管形成（CD31染色）、胶原纤维沉积（Masson染色）及钙结节生成（茜素红染色）。
• 炎症反应：CD206（M2型巨噬细胞）与iNOS（M1型巨噬细胞）染色表明，支架未引起额外炎症反应，生物相容性良好。

三、研究结论

本研究成功构建了一种基于低温沉积3D打印技术的序贯药物递送支架，通过负载DFO-HNTs与BMP2-微球，实现了：

• 时空可控的序贯释放：DFO在1周内快速释放促进早期血管化，BMP2持续释放3周以上维持长期骨生成，与天然骨修复级联过程同步。
• 增强的体外生物学性能：显著促进BMSCs成骨分化与HUVECs血管生成，细胞-支架相互作用良好。
• 高效的体内异位成骨：在大鼠皮下模型中实现快速血管化与高质量骨样组织形成，无额外炎症反应。
• 临床转化潜力：该支架具备与松质骨相似的力学强度（压缩模量5.5 MPa），宏微观多孔结构利于组织长入与药物扩散，为大段骨缺损修复提供了新策略。

四、论文信息

论文标题：3D-printed scaffold with halloysite nanotubes laden as a sequential drug delivery system regulates vascularized bone tissue healing

期刊名称：Materials Today Advances

发表时间：2022年5月26日（在线发表）

DOI：10.1016/j.mtadv.2022.100259