用于复杂骨缺损的功能化、可降解、基于大豆油的仿生多孔支架：桶式光聚合增材制造、光热介导的形状记忆效应及肿瘤热疗

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Functionalized Degradable Soybean Oil-Based Biomimetic Porous Scaffolds for Complex Bone Defects: Vat Photopolymerization Additive Manufacturing, Photothermal-Mediated Shape Memory and Tumor Thermotherapy

本研究利用生物基光固化树脂AESO/IBOMA复合体系，结合钙 lignosulfonate（CL）的近红外光热响应特性，开发出具备形状记忆和肿瘤抑制功能的3D打印骨支架。通过调节AESO与IBOMA比例优化材料玻璃化转变温度，实现体温响应的形状恢复功能。CL的引入不仅赋予支架近红外光热转换能力，还促进支架降解形成微孔结构，促进钙离子持续释放和骨矿化，同时抑制肿瘤细胞生长。该材料通过数字光处理技术实现复杂骨缺损的个性化精准打印，为治疗复杂不规则骨缺损及术后肿瘤复发提供创新解决方案。

　　这项研究聚焦于通过3D打印技术制备一种具有多重功能的生物基骨支架材料，旨在解决复杂骨缺陷带来的临床挑战。复杂骨缺陷通常由创伤、肿瘤切除或先天性疾病引起，对骨组织工程领域提出了严峻考验。传统治疗方法在面对这类缺陷时往往存在局限性，如难以精准匹配骨缺损的形态、缺乏形状适应性，以及术后可能出现的肿瘤复发等问题。这些问题不仅影响了治疗效果，还增加了患者的手术风险和治疗成本。因此，开发一种兼具形状记忆功能、可远程调控的光热响应以及肿瘤抑制能力的骨支架材料，成为当前研究的重要方向。

在众多可能的解决方案中，3D打印技术因其能够制造复杂结构的能力而受到广泛关注。特别是数字光处理（DLP）技术，它以其高精度和高效率在骨支架的制造中展现出巨大潜力。然而，DLP技术的应用仍面临一些关键挑战，尤其是所使用的光固化树脂材料在生物医学应用中的生物相容性问题。目前市面上的光固化树脂大多来源于化石燃料，具有较高的生物毒性，难以满足生物医学材料的要求。因此，开发一种基于生物来源的低毒性光固化树脂材料成为迫切需求。

本研究提出了一种新型的生物基光固化树脂体系，该体系由改性大豆油丙烯酸酯（AESO）和异冰片基甲基丙烯酸酯（IBOMA）组成，并进一步引入了钙木质素磺酸盐（CL）。AESO作为一种具有优良生物相容性的生物基光固化材料，已被广泛研究用于组织工程。然而，其高粘度和低光敏性限制了其在DLP打印中的应用。为解决这一问题，IBOMA被引入作为稀释剂，以降低AESO的粘度并调节其玻璃化转变温度（Tg），从而提升其在DLP打印中的性能。此外，CL的引入不仅赋予了该树脂体系光热响应能力，还实现了形状记忆功能与肿瘤热疗的协同作用。

光热响应功能的实现依赖于CL的特性。CL是一种来源于生物质的芳香化合物，具有显著的光热转换能力。其分子结构中的π-π共轭体系和分子间π-π堆积可以有效降低电子从基态跃迁到激发态所需的能量，从而在光照下促进能量的非辐射释放。这种特性使得CL在光热响应方面具有显著优势。此外，CL还具有良好的水溶性和降解性，能够在体内环境条件下缓慢释放钙离子，促进骨组织的修复和再生。这些特性使得CL成为一种理想的材料，用于赋予骨支架光热响应功能。

在本研究中，通过调整AESO与IBOMA的比例，研究人员成功制备了一种能够在人体可接受温度范围内实现形状记忆功能的骨支架材料。同时，通过引入CL，该材料不仅具备良好的光热响应能力，还能够实现远程可控的形状恢复和肿瘤热疗。这种结合使得骨支架材料能够在特定条件下，如近红外（NIR）光照下，实现精准的局部加热，从而激活形状记忆功能并抑制肿瘤细胞的生长。此外，CL的引入还改善了材料的亲水性，促进了支架的降解，并通过优先溶解在支架表面形成微孔结构，为生物矿化、细胞增殖和成骨分化提供了更有利的条件。

研究结果表明，通过DLP技术制备的三重周期极小曲面（TPMS）复合骨支架具有可控的仿生多孔结构和可调节的机械性能。这种结构不仅能够模拟天然骨组织的形态，还能优化支架的孔隙率和机械强度，使其更适合在体内环境中的应用。同时，支架的光热响应能力使得其能够在不依赖外部加热的情况下实现形状恢复和肿瘤热疗，这在临床应用中具有重要意义。此外，支架的降解性能也得到了改善，能够在体内环境中逐渐分解，释放出钙离子，促进骨组织的再生。

在实验过程中，研究人员首先对AESO进行了预处理，将其加热至70°C以提高其流动性。随后，AESO与IBOMA按照不同的质量比例进行搅拌和混合，以形成均匀的树脂浆料。为了去除浆料中的气泡，研究人员将其置于70°C的超声清洗器中进行10分钟的超声处理。接着，加入0.1 wt%的Irgacure 819和0.4 wt%的TPO-L作为光引发剂，以确保浆料在光照下能够有效固化。经过充分搅拌后，浆料再次进行超声处理，以进一步优化其性能。

通过实验数据分析，研究人员发现，随着IBOMA含量的增加，AESO/IBOMA混合材料的Tg逐渐升高，材料的性能从“柔软”向“坚硬”转变。这表明IBOMA在调节材料的Tg方面起到了主导作用。同时，XRD分析结果表明，AESO/IBOMA体系主要为非晶态结构，而高IBOMA含量则导致该体系具有更广泛的非晶态背景。这说明IBOMA的引入不仅改善了材料的流动性，还对其结构特性产生了显著影响。

在制备过程中，CL的引入对材料的性能产生了重要影响。首先，CL的加入使AESO/IBOMA体系从疏水性转变为亲水性，提高了其在体内环境中的适应性。其次，CL的引入促进了支架的降解，并通过优先溶解在支架表面形成微孔结构，使得钙离子能够持续释放。这种持续释放不仅有助于生物矿化，还能够支持细胞的增殖和成骨分化，从而提升支架的生物活性。

此外，CL的引入还赋予了支架光热响应能力。当支架受到近红外（NIR）光照射时，其内部的CL能够吸收光能并转化为热能，从而实现对肿瘤细胞的热疗。这种热疗方式相比传统的化疗和放疗具有更高的靶向性和更低的副作用，能够更有效地抑制肿瘤细胞的生长。同时，这种热疗方式还能够实现远程控制，使得医生能够在不直接接触支架的情况下进行治疗，提高了治疗的安全性和便捷性。

综上所述，本研究开发了一种基于AESO/IBOMA-CL的复合生物基光固化树脂体系，该体系能够通过DLP技术制备出具有多重功能的骨支架材料。该材料不仅具备优良的生物相容性和可打印性，还能够实现形状记忆功能和光热响应功能的协同作用。这种结合为解决复杂、不规则和肿瘤相关的骨缺陷提供了新的思路和方法，具有广阔的应用前景。