沙龙虾壳废弃资源制备含镁掺杂羟基磷灰石/聚己内酯3D打印支架增强骨组织工程生物活性研究

本研究针对传统骨移植材料机械性能差、生物活性不足及制备工艺缺陷等问题，创新性地利用沙龙虾壳(Panulirus homarus)废弃资源提取含天然Mg2+的羟基磷灰石(HA-SLS)，通过直接墨水书写(DIW)3D打印技术构建PCL/HA-SLS复合支架。结果表明，含50% HA-SLS的支架能显著促进兔骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的成骨分化，其释放的Ca2+、PO43?和Mg2+离子协同增强ALP活性、矿化结节形成及骨相关基因表达，为骨再生医学提供兼具优异机械性能和生物活性的新型材料。

　　

论文解读

骨骼作为人体最复杂的矿化组织，其修复一直是临床面临的重大挑战。传统自体骨移植虽被视为"金标准"，却面临供体部位发病率高、感染风险大等问题；而异体骨移植更存在疾病传播隐患。羟基磷灰石(HA)因其与天然骨相似的化学成分(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)，成为最具潜力的替代材料。然而商业HA存在三大致命缺陷：脆性大易断裂、缺乏天然骨中的微量元素（如Mg²⁺、Na⁺等），以及传统制备工艺（如粒子浸出法、冷冻干燥）难以精确控制多孔结构。这些缺陷严重制约其在临床的应用效果。

针对这些痛点，来自印度尼西亚的研究团队独辟蹊径，将目光投向海洋生物废弃物——沙龙虾(Panulirus homarus)的蜕壳。这种可持续资源不仅富含钙质，更含有6.93%的天然镁元素，以β-磷酸三钙镁(β-TCMP)形式存在。研究人员创新性地将沙龙虾壳衍生的HA(HA-SLS)与聚己内酯(PCL)结合，采用直接墨水书写(DIW)3D打印技术，构建出具有精确孔道结构的新型骨支架。相关成果发表在《Bioprinting》期刊。

研究团队首先通过梯度煅烧(600-1000°C)优化沙龙虾壳粉的钙相转化，采用共沉淀法合成含Mg的HA-SLS。利用DIW技术制备不同HA-SLS含量(0%、10%、30%、50%)的3D支架，通过SEM、XRD、FTIR等表征材料特性。体外实验采用模拟体液(SBF)矿化测试和兔骨髓间充质干细胞(rBMSCs)培养，评估材料的生物活性、细胞相容性及成骨分化能力。

HA-SLS的提取与表征
煅烧温度实验显示800°C可完全分解方解石相，FTIR谱图中3570 cm^?1处的羟基特征峰和XRD图谱中HA特征峰(2θ=31.8°)证实成功合成HA-SLS。EDS检测到Mg元素均匀分布，Ca/P摩尔比为1.67，符合理想HA化学计量比。值得注意的是，XPS分析揭示Mg以β-TCMP形式存在，这种结构在天然骨中具有促进骨再生的特殊作用。

3D支架的形态与力学性能
DIW打印的支架呈现规则四方孔道(孔径350±50μm)，30%和50% HA-SLS组压缩强度分别达12.3 MPa和14.7 MPa，较纯PCL提升40%以上。断裂面SEM显示HA-SLS颗粒均匀分散于PCL基体中，通过裂纹偏转机制有效阻碍材料脆性断裂。流变测试证实含50% HA-SLS的墨水具有最佳剪切稀化行为，保证打印精度。

生物活性与细胞响应
SBF浸泡7天后，50% HA-SLS组表面形成致密磷灰石层，Ca、P、Mg离子持续释放。rBMSCs在HA-SLS支架上的粘附率较纯PCL提高2.3倍，CCK-8检测显示增殖活性增加180%。最引人注目的是成骨诱导效果：50% HA-SLS组的碱性磷酸酶(ALP)活性在第14天达到纯PCL组的4.2倍，茜素红染色显示的钙结节面积增加5.8倍。qPCR分析证实RUNX2、OCN等成骨基因表达显著上调，证实Mg²⁺通过激活Wnt/β-catenin通路促进成骨分化。

这项研究开创性地将海洋废弃物转化为高附加值生物材料，解决了传统骨移植材料的三大瓶颈问题：通过PCL复合改善HA脆性，利用DIW技术实现结构精确控制，借助天然Mg掺杂增强生物活性。特别值得关注的是，沙龙虾壳的可持续获取方式——通过其自然蜕壳过程收集，避免了杀戮性开采，体现了"蓝色生物经济"理念。研究揭示的Mg²⁺剂量依赖性成骨效应(30-50% HA-SLS最佳)，为设计新一代智能骨修复材料提供了重要理论依据。这种将废弃物资源化、材料功能化、制造数字化相结合的创新策略，为骨组织工程领域开辟了新方向。