钒掺杂二氧化铈增强PLLA支架的ROS清除能力及成骨促进作用研究

《Polymer Testing》：V-doped CeO 2-loaded biopolymer scaffold for reactive oxygen species scavenging and osteogenic enhancement

本研究针对骨支架植入后过量活性氧(ROS)阻碍骨再生的问题，通过湿化学法合成V掺杂CeO2纳米颗粒，并采用选择性激光烧结技术制备PLLA/V-CeO2复合支架。结果表明V掺杂通过提升Ce(III)比例（31.2%→39.9%）和氧空位浓度，显著增强SOD/CAT酶活性，使支架具备持续ROS清除能力。该支架能有效降低细胞内ROS水平，上调BMP-2/RUNX2成骨基因表达，同时保持良好生物相容性和力学性能（抗压强度14.85±0.71 MPa），为ROS调控的骨组织修复提供新策略。

　　

在骨缺损修复领域，三维打印的聚乳酸(PLLA)支架虽能提供个性化支撑，但植入后微环境中的过量活性氧(ROS)会破坏细胞氧化还原平衡，抑制干细胞成骨分化，严重影响再生效果。传统抗氧化剂存在作用短暂、不可循环的局限，而二氧化铈(CeO₂)纳米酶虽能通过Ce(III)/Ce(IV)转化实现持续ROS清除，其缓慢的价态转换速率却限制了催化效率。为此，中南大学团队创新性地提出通过钒(V)掺杂策略提升CeO₂的酶模拟活性，并成功构建具有ROS调控功能的智能骨支架。这项发表于《Polymer Testing》的研究，为解决骨再生中的氧化应激难题提供了新思路。

研究团队采用湿化学合成结合球磨-煅烧的工艺制备V掺杂CeO₂(V-CeO₂)纳米颗粒，通过选择性激光烧结(SLS)技术将5wt%纳米颗粒与PLLA复合构建三维支架。利用SEM/TEM、XPS、EPR等技术表征材料理化性质，通过DPPH清除、TMB氧化等实验评估抗氧化性能，并采用大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)模型验证支架的ROS清除能力及成骨诱导作用。

3. 结果与讨论

材料表征证实V成功掺杂：HRTEM显示V-CeO₂出现0.28-0.30 nm晶格间距变异，XRD中(111)晶面衍射角从28.5°移至28.7°，证实V引入引起晶格畸变。XPS分析表明V掺杂使Ce(III)比例从31.2%提升至39.9%，EPR检测到增强的氧空位(OV)信号，为提升催化活性奠定基础。

支架性能优化：SLS制备的支架表面粗糙度有利于细胞黏附，EDS显示元素分布均匀。虽然V-CeO₂添加使抗压强度（12.0±0.72 MPa）略低于纯PLLA支架，但14.85±0.71 MPa的强度仍满足骨修复需求。FTIR/XRD证实烧结过程未改变纳米颗粒晶相。

抗氧化性能显著提升：DPPH实验显示PLLA/V-CeO₂支架使溶液褪色程度显著优于对照组。TMB持续氧化实验表明支架保持12天抗氧化活性，SOD/CAT酶活性分别提高91.3%和182.7%。EPR检测证实其对·OH的清除能力增强，归因于OV对ROS的吸附作用及加速的Ce(III)/Ce(IV)循环。

生物相容性与成骨促进：活死染色与CCK-8实验证明支架无细胞毒性。在H₂O₂诱导的氧化应激模型中，PLLA/V-CeO₂组细胞内ROS荧光强度降低约80%，ALP染色显示成骨分化活性最强，BMP-2和RUNX2基因表达分别上调3.25倍和2.15倍。

该研究通过V掺杂策略成功突破CeO₂纳米酶催化效率瓶颈，构建的智能支架不仅能持续清除多种ROS，还通过调控BMP-2/RUNX2通路促进成骨分化。这种将金属掺杂技术与3D打印融合的策略，为开发下一代功能性骨修复材料提供了重要借鉴，尤其适用于糖尿病、骨质疏松等伴有氧化应激的复杂骨缺损治疗。