自适应3D打印PCLA/BCP支架通过蒸镀和纳米涂层技术进行功能化处理，用于免疫调节和抗菌骨再生

《Acta Oecologica》：Self-Adaptive 3D-Printed PCLA/BCP Scaffolds Functionalized using Vapor Etching and Nanocoating for Immunomodulatory and Antibacterial Bone Regeneration

本研究开发了一种具有形状记忆、免疫调节和抗菌功能的三维打印骨支架，通过聚己内酯乳酸共聚物与双相钙磷陶瓷复合，结合绿色表面蚀刻和茶多酚-镁纳米颗粒涂层，实现了pH响应的抗菌与骨生成协同作用，在体外和MRSA感染大鼠模型中均显示出显著促进血管化骨再生的效果。

　　这项研究开发了一种多功能的3D打印骨支架，旨在解决感染性骨缺损的治疗难题。骨组织工程（BTE）作为现代医学的重要分支，已被广泛应用于克服传统骨移植的局限性，尤其是在那些由于感染而难以自然修复的骨缺损场景中。传统治疗方法往往面临抗生素耐药性、感染控制困难以及组织修复效果不佳等问题，因此，开发具有抗菌和免疫调节功能的新型骨支架成为当前研究的重点。

3D打印技术因其能够制造具有精确结构和可控性能的患者特异性支架，成为骨组织工程中的关键工具。通过3D打印，研究人员可以设计出具有特定孔隙率、内部结构和机械性能的支架，这些特性对于细胞的浸润、营养物质的扩散以及支架与宿主组织的机械兼容性至关重要。然而，仅优化支架的结构和成分，并不能完全应对复杂的生物挑战。因此，如何进一步提升支架的生物功能，成为研究中的关键问题。

本研究提出了一种创新的策略，将抗菌、免疫调节和促进骨再生的功能整合到3D打印支架中。该支架采用了一种环保的表面处理方法，通过使用乙醇-醋酸蒸汽蚀刻技术，提高了支架表面的粗糙度和亲水性，从而增强了细胞的附着和营养交换能力。同时，研究人员还引入了一种新型的生物矿化纳米颗粒——γ-环糊精/茶多酚-镁复合纳米颗粒（简称TC-Mg），这些纳米颗粒能够实现pH响应的缓释系统，从而持续释放抗菌和促骨生成的生物活性物质。

TC-Mg纳米颗粒的引入为支架提供了双重功能：一方面，茶多酚具有广谱抗菌作用，能够有效抑制包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）在内的多种细菌生长；另一方面，镁离子（Mg2?）能够促进M2型巨噬细胞的极化，从而调节免疫微环境，降低炎症反应。这种协同作用不仅提升了支架的抗菌性能，还增强了其免疫调节能力，为感染性骨缺损的修复提供了更全面的支持。

此外，该支架采用了一种形状记忆材料——聚（ε-己内酯-乳酸共聚物）（PCLA），这种材料能够在低温下发生可逆变形，并在体温下恢复其原始结构。这一特性使得支架可以被压缩以实现微创植入，随后在体内膨胀，紧密贴合骨缺损的不规则形状。这种自适应的形状记忆功能不仅确保了支架与组织之间的紧密接触，还增强了机械互锁作用，降低了微动或植入物移位的风险，从而提高了骨整合的稳定性和长期效果。

在支架的构建过程中，研究人员首先通过溶解PCLA于二氧烷中，制备出具有生物活性的支架基材。随后，将双相磷酸钙（BCP）与PCLA复合，通过低温3D打印技术形成具有多孔结构的支架。为了进一步优化其表面性能，支架被置于乙醇-醋酸蒸汽环境中进行蚀刻处理，这一过程不仅增加了表面粗糙度，还改善了支架的亲水性，从而提升了细胞的附着和生长能力。最终，通过将TC-Mg纳米颗粒均匀沉积于支架表面，形成了一种具有缓释功能的复合材料——TC-Mg@ET-PCLA/BCP。这种材料不仅保留了3D打印支架的层级孔隙结构和机械性能，还赋予了其抗菌、促骨生成和免疫调节等多重生物功能。

在体外实验中，研究人员发现该支架能够有效抑制细菌生物膜的形成，并促进细胞的增殖和成骨分化。在体内评估方面，研究人员在MRSA感染的大鼠股骨缺损模型中测试了该支架的性能，结果显示该支架能够显著降低局部炎症反应，并支持血管化骨形成，从而加速骨缺损的修复过程。这一研究不仅验证了支架在抗菌、免疫调节和促骨生成方面的有效性，还展示了其在实际临床应用中的巨大潜力。

从材料选择到工艺优化，本研究体现了对骨组织工程中多重挑战的系统性应对。传统的骨支架材料往往存在生物活性不足、机械性能不佳或抗菌能力有限等问题，而本研究通过引入新型材料和工艺，有效克服了这些限制。例如，双相磷酸钙（BCP）作为支架的主要成分，具有良好的生物活性和可降解性，能够模拟天然骨的结构和功能。其中，羟基磷灰石（HA）提供了结构稳定性，而β-磷酸三钙（β-TCP）则促进了离子介导的骨重塑和新生血管的形成。通过调节HA与β-TCP的比例，研究人员能够优化支架的降解速率和生物活性，使其更符合实际应用的需求。

与此同时，研究还强调了表面处理在提升支架生物功能中的重要性。传统的化学蚀刻方法，如使用丙酮、四氢呋喃、氢氧化钠或过氧化氢等试剂，虽然能够有效改善支架表面的粗糙度和亲水性，但往往伴随着安全性和环境风险，且可能因残留物的积累或聚合物降解而影响支架的机械性能和生物相容性。因此，本研究采用了一种更环保的蚀刻方法，即使用醋酸（食用醋的主要成分）作为温和溶剂，对聚合物表面进行处理。这种方法能够选择性溶解非晶态聚合物区域，而不破坏晶体结构，从而在保持支架机械性能的同时，提高其表面特性。

此外，研究还探讨了生物矿化纳米颗粒（BMNPs）在提升支架生物功能方面的应用。BMNPs能够模仿自然的生物矿化过程，通过自组装或仿生矿化技术形成稳定的纳米结构。这些纳米颗粒不仅能够实现药物的可控释放，还能够提供氧化保护，防止敏感分子的降解，同时具有组织特异性靶向能力，能够更精准地作用于目标部位。例如，茶多酚（TP）具有抗菌和促骨生成的双重作用，但其在体内的稳定性和生物利用度较低；而镁（Mg）作为骨代谢的重要元素，能够促进成骨并调节炎症反应，但其在支架中的有效整合面临一定挑战。通过将TP与Mg结合，并将其封装于γ-环糊精中，研究人员成功制备出了一种具有稳定性和生物活性的复合纳米颗粒，从而提升了支架的整体性能。

该研究的创新之处在于，不仅结合了3D打印技术、绿色表面处理方法和生物矿化纳米颗粒，还充分利用了形状记忆材料的优势。这种多功能支架的设计为感染性骨缺损的治疗提供了一种全新的思路，能够同时应对抗菌、免疫调节和成骨再生的多重需求。通过在支架表面实现pH响应的缓释系统，研究人员确保了抗菌和促骨生成物质能够持续释放，从而在体内维持长期的治疗效果。

然而，尽管该研究在实验室环境中取得了显著成果，但其应用仍面临一定的挑战。当前的评估主要基于小动物模型和短期观察，缺乏对长期稳定性和大范围骨缺损修复能力的深入研究。此外，该支架在临床转化过程中仍需进一步验证，包括其在人体内的安全性和有效性。因此，未来的研究需要在更大的动物模型中进行测试，并深入探讨其在复杂骨缺损修复中的机制。

总体而言，这项研究通过创新性的材料选择和工艺优化，开发出了一种具有多重功能的3D打印骨支架，为感染性骨缺损的治疗提供了新的可能性。该支架不仅能够有效抑制细菌生长，促进血管化骨形成，还能调节免疫微环境，从而为骨组织再生创造更有利的条件。这种结合了物理适应性和生物活性调控的多功能设计，为未来骨组织工程的发展提供了重要的参考价值。