双释放3D打印多孔Ti-6Al-4V植入体：药物递送光热微纳拓扑结构协同抗肿瘤抗感染促成骨

本文创新性地开发了一种近红外（NIR）激活的双重药物释放系统，通过构建载有ZnO及稀土元素（Y, Yb, Er）的TiO2纳米管阵列（初级药物储库）和包裹MgO2、姜黄素、紫杉醇的明胶/海藻酸钠水凝胶（次级光疗平台），实现了术后精准可控的药物释放。该系统在808 nm NIR照射下产生54°C光热效应，触发水凝胶降解并释放治疗剂，同步发挥抗肿瘤（PTT/PDT）、抗菌（ROS生成）和促成骨（Zn2+/Mg2+持续释放）功能，有效解决骨肉瘤术后复发、感染及骨整合难题。

　　

Highlight

本研究通过多级结构设计与光热响应释放策略，构建了兼具抗肿瘤、抗菌和成骨功能的多功能植入体，为骨肿瘤术后治疗提供了创新性解决方案。

Sample characterization

临床广泛应用喷砂酸蚀（SLA）植入体，但其微米级粗糙度效果有限。3D打印多孔植入体内外表面的残留颗粒难以通过传统方法清除。本研究的分级释放平台基于三个关键生物与材料特性设计：天然骨表面的微纳复合结构启发、术后治疗时间窗的生物学需求（2-3周关键期），以及光热响应水凝胶的降解动力学匹配。通过流动酸蚀与阳极氧化成功去除打印残留并形成有序TiO₂纳米管阵列。稀土掺杂显著提升上转换能力，在808 nm照射下实现高效光热转换（54°C）。水凝胶涂层在21天内近完全降解（95%），与治疗窗口高度契合。

Conclusion

总之，本研究成功开发了NIR激活的双重释放系统，实现了3D打印多孔Ti-6Al-4V植入体的功能化修饰。该系统可通过NIR照射精确控制，满足术后治疗需求。稀土元素的上转换能力确保了高效光热转换，同时为释放系统激活提供了理论框架。明胶/海藻酸钠水凝胶的降解行为与术后关键治疗阶段同步，通过协同光热治疗（PTT）、光动力治疗（PDT）、离子释放（Zn²⁺/Mg²⁺）及药物递送（姜黄素/紫杉醇），显著抑制肿瘤复发、清除细菌生物膜并促进骨整合。该策略为骨肉瘤术后综合治疗提供了新范式。

CRediT authorship contribution statement

Yi Wan: 验证、监督、项目管理、资金获取

Yujin Zou: 评审编辑

Hongwei Wang: 评审编辑

Xichang Liang: 评审编辑

Peilai Liu: 评审编辑

Zhenbing Ji: 原稿撰写、可视化、方法论、概念化

Declaration of Competing Interest

?? 作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知竞争性经济利益或个人关系

Acknowledgment

本研究得到山东省重点研发计划（2024JMRH0301, 2024JMRH0207）和山东大学本科教育教学改革研究项目（2024Y142）的资助。