骨再生黑科技：3D 打印支架 + 會 “變魔術(shù)” 的納米顆粒

來源：EFL生物3D打印與生物制造

當(dāng)前骨再生面臨的主要問題包括：自體骨移植存在供體部位并發(fā)癥、來源有限且整合效果不一，異體骨移植有免疫原性、疾病傳播風(fēng)險及成骨誘導(dǎo)能力下降等缺陷，而合成生物材料支架雖具定制化結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，但缺乏固有成骨誘導(dǎo)性，需添加生長因子或細胞，這又帶來監(jiān)管、安全及成本等難題，如可能引發(fā)異位骨形成和免疫并發(fā)癥等。   

來自羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的Hani A. Awad教授團隊開展了相關(guān)研究，他們開發(fā)出3D打印聚己內(nèi)酯（PCL）支架，用于實現(xiàn)骨免疫調(diào)節(jié)性無定形磷酸鈣-殼聚糖納米顆粒（ACPC-NP）的時間控制釋放。在體外實驗中，ACPC-NP對成骨細胞、單核細胞和破骨細胞表現(xiàn)出濃度依賴性作用，在濃度高達500 μg/ml時，可刺激成骨作用、調(diào)節(jié)M2/M1巨噬細胞極化，并抑制破骨細胞成熟與活性。體內(nèi)實驗利用3D打印PCL支架實現(xiàn)ACPC-NP的時間控制釋放，成功使大鼠臨界尺寸橈骨缺損完全再生并恢復(fù)生物力學(xué)強度，而單純PCL支架或負載磷酸鈣微粒的支架則無法實現(xiàn)這種愈合效果。   

相關(guān)工作以“Dose-dependent osteoimmunomodulatory effects of amorphous calcium phosphate nanoparticles promote 3D-printed scaffold-mediated bone regeneration”為題發(fā)表在《Bioactive Materials》上。

圖 1. ACPC-NP 的合成與表征。

1. 材料設(shè)計創(chuàng)新   
開發(fā)了無定形磷酸鈣-殼聚糖納米顆粒（ACPC-NP），通過殼聚糖穩(wěn)定無定形磷酸鈣（ACP）的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)ACP易結(jié)晶轉(zhuǎn)化的缺陷，同時賦予其骨免疫調(diào)節(jié)功能。   將ACPC-NP與3D打印聚己內(nèi)酯（PCL）支架結(jié)合，通過低溫擠出3D打印技術(shù)實現(xiàn)納米顆粒高負載（質(zhì)量比超85%），顯著提升支架表面粗糙度和表面積，促進細胞黏附與組織長入。   

2. 作用機制創(chuàng)新   
發(fā)現(xiàn)ACPC-NP具有劑量依賴性骨免疫調(diào)節(jié)效應(yīng)：  
- 低濃度（≤50 μg/ml）：調(diào)節(jié)巨噬細胞向抗炎M2表型極化，促進早期免疫微環(huán)境修復(fù)；   
- 高濃度（500 μg/ml）：激活Wnt/Notch信號通路，加速成骨細胞分化與礦化，同時抑制破骨細胞成熟及骨吸收活性。   首次揭示ACPC-NP通過**鈣離子釋放**介導(dǎo)成骨與免疫調(diào)控，其作用獨立于外源性生長因子或細胞，避免了生物制劑的監(jiān)管與安全風(fēng)險。   

3. 釋放模式創(chuàng)新   
3D打印PCL支架實現(xiàn)ACPC-NP的時序性釋放：初期（24小時內(nèi)）爆發(fā)釋放高濃度納米顆粒（600-700 μg/ml）快速啟動成骨與抗炎反應(yīng)，隨后持續(xù)釋放30天以上，匹配骨再生的炎癥-修復(fù)-重塑階段性需求。   

4. 功能驗證創(chuàng)新   
在大鼠臨界尺寸橈骨缺損模型中，ACPC-NP@PCL支架實現(xiàn)完全骨再生與生物力學(xué)強度恢復(fù)，10周時新生骨強度超過天然骨，顯著優(yōu)于單純PCL或磷酸鈣（CaP）支架。   通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析證實，支架通過激活Notch/Wnt信號通路及調(diào)控巨噬細胞-破骨細胞互作，協(xié)同促進軟骨內(nèi)成骨與骨重塑，為骨再生機制提供新理論依據(jù)。   
5. 臨床轉(zhuǎn)化潛力  
采用FDA批準材料（PCL與磷酸鈣），無需添加生物制劑，可通過510(k)路徑加速臨床轉(zhuǎn)化；3D打印技術(shù)支持個性化支架定制，適用于復(fù)雜骨缺損修復(fù)。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2025.05.010