载有多柔比星的3D打印锂掺杂介孔生物活性玻璃纳米支架在骨癌治疗中的药物递送潜力

《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：Drug delivery potential of 3D-Printed lithium-doped mesoporous bioactive glass nanoscaffolds loaded with doxorubicin for bone cancer therapy

3D打印锂掺杂介孔生物活性玻璃涂层支架的骨肉瘤治疗研究，通过溶胶-凝胶法制备含7%锂的Li-MBGs，结合PCL/PVP材料3D打印构建多功能支架，实现药物缓释与骨再生协同作用。实验证实Li-MBGs涂层支架促进成骨细胞分化（ALP活性提升30%），并增强阿霉素（DOX）对MG-63细胞的凋亡诱导效果（25%细胞死亡）

　　这项研究聚焦于一种创新的材料解决方案，旨在应对骨肉瘤（Osteosarcoma, OS）这一常见恶性骨肿瘤的治疗难题。骨肉瘤主要发生在儿童和青少年群体中，其治疗通常需要结合化疗与手术切除。尽管化疗药物如多柔比星（Doxorubicin, DOX）在多种癌症治疗中被广泛使用，包括骨肉瘤，但化疗存在非特异性，容易损害健康细胞，导致疗效受限和安全性问题。此外，手术后或疾病本身导致的大骨缺损可能会引发骨不连和大尺寸骨缺损，这些情况严重影响患者的康复和生活质量。因此，开发能够同时解决化疗局限性和骨组织修复需求的新型治疗方法成为迫切需要。

为了实现这一目标，研究团队设计了一种多功能的3D打印涂层支架，其基础材料为锂掺杂的介孔生物活性玻璃（Lithium-substituted mesoporous bioactive glasses, Li-MBGs）。Li-MBGs通过溶胶-凝胶工艺合成，其结构特征包括有序的介孔（5-20纳米）、大比表面积和高孔体积，这些特性使其在生物医学领域具有广泛的应用潜力。在体内植入后，MBGs能够形成羟基碳酸钙（HCAp），从而与骨组织形成良好的结合。其相互连通的孔道不仅支持药物释放，还促进了治疗性离子交换，为骨组织修复和再生提供了理想的平台。

锂元素作为人体中的一种微量元素，在生物活性玻璃中掺杂锂可以显著改善其生物活性和骨形成能力。锂离子通过影响羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）与骨组织之间的相互作用，促进成骨细胞的活性，从而增强骨组织的再生能力。此外，锂离子还通过调控Wnt信号通路，增强HA对细胞增殖的促进作用。一些研究表明，锂离子的掺杂不仅能够赋予生物活性玻璃抗菌特性，还能抑制破骨细胞的生成，减少骨肉瘤患者常见的骨降解现象。更重要的是，锂离子具有抗肿瘤作用，能够诱导程序性细胞死亡（Programmed Cell Death, PCD），如细胞凋亡和自噬，从而有效抑制肿瘤细胞的增殖。这些特性使得锂掺杂的生物活性玻璃成为骨肉瘤治疗中的重要材料。

在组织工程和再生医学领域，3D支架已被广泛认为是一种有前景的解决方案。3D打印技术作为增材制造的一种重要手段，能够精确控制支架的结构和孔隙率，从而提升其生物相容性和机械性能。支架通过提供一个具有多孔结构的环境，促进细胞的黏附、增殖和迁移，其相互连通的孔隙还支持营养物质的输送和可控的降解过程，为组织修复提供了良好的支持。相比之下，传统的支架制备方法如泡沫复制、冷冻干燥和静电纺丝等，往往难以精确控制孔隙结构，限制了其在生物医学中的应用。而3D打印技术能够实现可编程的孔隙率，为细胞生长和药物输送提供了更优的条件。

聚己内酯（Polycaprolactone, PCL）是一种常用的生物降解聚合物，广泛应用于组织工程领域。然而，PCL的降解速度较慢，且其生物活性有限，影响了其在骨组织修复中的效果。为了克服这些缺点，研究者通常将PCL与其他聚合物和生物活性材料如羟基磷灰石、磷酸钙和生物玻璃结合使用，以提升其综合性能。聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone, PVP）因其良好的生物相容性、在大多数有机溶剂中的优异溶解性以及与亲水和疏水材料的兼容性，成为与PCL复合使用的理想材料。已有研究表明，添加PVP可以改善PCL纳米纤维膜的亲水性，从而提升其在生物医学中的应用潜力。此外，Li-MBGs的可打印特性已在前期研究中得到验证，特别是在用于骨组织再生和药物输送的骨支架中表现出良好的性能。

研究团队在本研究中，将Li-MBGs与PCL和PVP复合，通过3D打印技术构建了具有药物释放、生物活性和生物相容性的多功能支架。通过实验，研究团队验证了Li-MBGs在不同条件下的药物释放行为，发现其释放过程受到pH值和扩散控制的影响。同时，支架的生物活性和生物相容性也得到了评估，特别是在MG-63骨肉瘤细胞中的表现。实验结果表明，Li-MBGs涂层的支架能够显著促进矿化和生物活性，而负载DOX的支架则表现出更强的抗肿瘤效果，通过诱导细胞凋亡和坏死，有效抑制肿瘤细胞的生长。相比之下，未负载药物的支架仍然保持良好的生物相容性，显示出在骨组织修复中的应用潜力。

在材料制备方面，研究团队使用了多种材料，包括Pluronic? 123、乙醇、盐酸、正硅酸乙酯、硝酸钙、氯化锂、PCL、PVP以及二氯甲烷等。这些材料的选择基于其在生物医学中的良好表现和对支架性能的提升作用。通过透射电子显微镜（TEM）对MBGs和支架的形态进行分析，研究团队发现锂掺杂的MBGs（L1）相比无锂掺杂的MBGs（L0）具有更均匀的球形结构和更大的粒径（约20纳米），而L0则呈现出不规则和模糊的形态（约7纳米）。这一结果表明，锂掺杂能够显著影响MBGs的粒径和形态，使其形成更可控的结构。尽管形态有所差异，但X射线衍射（XRD）分析表明，两种MBGs均保持了其非晶态结构，说明锂掺杂并未破坏其基本化学特性。

此外，研究团队还通过其他分析手段对MBGs和支架的物理化学性质进行了全面评估。例如，使用Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析确定了MBGs的比表面积、孔径和孔体积，这些参数对于药物释放和生物活性至关重要。动态光散射（DLS）用于评估MBGs的粒径分布，而Zeta电位分析则用于测定其表面电荷稳定性。这些分析结果为后续的药物释放实验和生物活性评估提供了重要的数据支持。同时，傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于鉴定MBGs中的官能团，并确认DOX是否成功负载到支架中。这些实验方法共同构建了一个完整的材料表征体系，为研究Li-MBGs在骨肉瘤治疗中的应用提供了坚实的基础。

在生物活性和生物相容性评估方面，研究团队采用了多种实验方法，包括碱性磷酸酶（ALP）活性测定、细胞毒性实验（MTT assay）以及细胞死亡模式分析等。这些实验结果表明，Li-MBGs涂层的支架能够显著增强生物活性，促进矿化过程，同时表现出良好的生物相容性。而负载DOX的支架则进一步提升了其抗肿瘤效果，通过诱导细胞凋亡和坏死，有效抑制了MG-63骨肉瘤细胞的生长。这些结果不仅验证了Li-MBGs在骨组织修复中的潜力，还展示了其在药物输送和抗肿瘤治疗中的双重功能。

研究团队还特别关注了支架的结构和表面特征对生物活性的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）对支架的表面形态和结构进行观察，研究团队发现Li-MBGs涂层能够改善支架的表面特性，使其更有利于细胞的附着和生长。此外，SEM还用于观察支架在生物活性测试过程中的矿化情况，进一步验证了Li-MBGs在促进骨组织再生中的作用。这些结构和表面特征的分析为理解Li-MBGs在生物医学中的行为提供了重要的依据。

在药物释放方面，研究团队对DOX在Li-MBGs中的释放行为进行了详细研究。通过实验，研究团队发现DOX的释放过程受到pH值和扩散控制的影响，说明其释放机制具有一定的可控性。这一特性对于药物在体内的释放和代谢具有重要意义，尤其是在需要精确控制药物释放速率的临床应用中。此外，研究团队还评估了支架在不同条件下的离子释放、降解行为和膨胀性能，这些参数对于支架的长期稳定性和生物相容性至关重要。

研究团队在本研究中采用的实验方法不仅涵盖了材料的合成和表征，还包括了药物释放、生物活性和生物相容性的综合评估。通过这些实验，研究团队成功构建了一种多功能的3D打印涂层支架，其不仅具备良好的生物活性和生物相容性，还能够有效释放药物，提升抗肿瘤效果。这些成果为骨肉瘤的治疗提供了新的思路和方法，同时也为其他骨组织修复和再生研究提供了重要的参考。

综上所述，这项研究展示了Li-MBGs在骨肉瘤治疗中的应用潜力。通过将Li-MBGs与PCL和PVP复合，并利用3D打印技术构建支架，研究团队成功开发了一种兼具药物释放、生物活性和生物相容性的新型材料。实验结果表明，Li-MBGs涂层能够显著促进矿化和生物活性，而负载DOX的支架则表现出更强的抗肿瘤效果，通过诱导细胞凋亡和坏死，有效抑制了MG-63骨肉瘤细胞的生长。这些发现不仅为骨肉瘤的治疗提供了新的方法，还为骨组织修复和再生研究提供了重要的技术支持。未来，研究团队将继续探索Li-MBGs在生物医学中的更多应用，以期为患者提供更安全、更有效的治疗方案。