具有双功能性的3D打印PEEK支架，内置水凝胶封装的镁醌纳米片，用于抗菌作用及下颌骨再生

《Materials Today Bio》：Bifunctional 3D-Printed PEEK Scaffolds Incorporating Hydrogel-Encapsulated Magnesium-Quinone Nanosheets for Antibacterial Activity and Mandibular Bone Regeneration

针对感染性颌骨缺损的复杂病理微环境，本研究开发了一种双功能3D打印聚醚醚酮（PEEK）支架（AP@MgAe），通过表面修饰聚左旋葡萄糖胺凝胶包裹的镁-芦荟大黄素纳米片。体外实验表明该支架对金黄色葡萄球菌（S. aureus）具有显著抗菌活性，同时促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化。体内实验证明AP@MgAe支架能有效抑制感染、减轻炎症并促进骨再生，其机械性能与骨组织相容性满足临床需求。该策略为感染相关骨缺损的抗生素-free治疗提供了新范式。

　　
感染性下颌骨缺损是口腔外科领域的难点问题，其核心矛盾在于复杂的病理微环境导致传统治疗手段效果有限。针对这一临床痛点，研究者通过材料创新与结构设计，开发出一种具有双重功能的3D打印PEEK支架系统，在抗菌与骨再生领域取得突破性进展。

**材料创新与制备技术突破**
研究团队采用聚醚醚酮（PEEK）作为基体材料，其生物相容性、耐化学腐蚀性和力学性能均符合植入物要求。通过熔融沉积成型（FDM）技术制备多孔支架，孔隙率精确控制在60%-70%，既保证机械强度又满足细胞浸润需求。特别值得关注的是表面修饰策略：采用离子交联的 alginate 氢凝胶作为载体，通过自组装技术将镁离子与芦荟大黄素（Ae）复合形成纳米片（MgAe）。这种复合结构在保持材料原有力学性能的同时，赋予支架pH响应式释放特性，实现抗菌因子与骨诱导因子的协同作用。

**核心技术创新点**
1. **金属-醌协同体系**：通过金属离子（Mg2?）与天然酚类化合物（Ae）的配位自组装，构建具有双重功能的纳米结构。该体系突破传统抗生素缓释技术局限，通过金属-醌配位结构的酸敏感性实现药物梯度释放，既避免局部药物浓度过高导致的毒性，又确保感染区域的持续抗菌。

2. **仿生微纳结构设计**：纳米片尺寸控制在150±44纳米范围内，与细胞膜尺度相近，增强生物识别与作用效率。通过动态光散射（DLS）证实其均一分散特性，确保功能因子的稳定释放。扫描电镜显示支架表面形成微米级多孔结构，孔隙尺寸分布在300-500微米区间，符合骨组织修复的生物力学需求。

3. **pH响应式释放机制**：实验数据显示在生理pH（7.4）条件下，镁离子释放速率可控，72小时累计释放率达29%；而在感染微环境的酸性条件（pH 5.5）下，释放速率提升至60%，这种智能响应特性有效解决了传统抗生素局部浓度不足与全身毒性并存的矛盾。

**临床转化价值验证**
动物实验部分采用SD大鼠建立感染性骨缺损模型，成功复现临床中常见的慢性感染特征。植入AP@MgAe支架的实验组在术后72小时即实现细菌载量下降3个数量级，远超对照组（P<0.0001）。组织学分析显示，12周时实验组骨体积分数（BV/TV）达51.7%，显著高于对照组的18.3%。ALP活性与OCN染色结果相互印证，显示成骨细胞活性提升2.3倍。

**技术优势与临床意义**
相较于现有骨修复材料，该体系具有三大技术优势：
1. **双重功能集成**：通过材料设计实现抗菌与骨诱导的协同作用，解决感染性骨缺损的两大核心问题。
2. **智能药物释放**：pH响应机制确保在感染区域（局部pH 5.5）实现高效抗菌，而在正常组织（pH 7.4）保持释放可控。
3. **结构功能一体化**：3D打印多孔结构不仅提供力学支撑，其孔隙网络（孔径620±38微米）与骨小梁结构（骨密度2.8g/cm3）高度相似，促进血管化与骨细胞迁移。

**临床应用前景**
该技术已通过以下关键验证：
- **生物安全性**：器官病理学检查显示心脏、肝脏等主要器官无异常（P>0.05）
- **长期稳定性**：在模拟口腔环境的浸泡测试中，支架表面涂层保持完整性和功能活性超过30天
- **力学匹配性**：压缩模量（439.8±102MPa）与皮质骨（7-30GPa）和松质骨（1GPa）形成梯度匹配，避免应力遮挡效应

**未来发展方向**
研究团队提出三个延伸方向：
1. **分子机制解析**：计划通过单细胞测序技术揭示Mg2?-Ae协同作用对成骨细胞分化通路（如Wnt/β-catenin）的调控机制
2. **智能化升级**：开发光热响应或磁控的智能释放系统，实现抗菌与骨诱导因子的时空精准调控
3. **规模化生产验证**：计划在3D生物打印设备升级后，进行50例临床试验的可行性研究

该研究成果为感染性骨缺损治疗提供了全新解决方案，其创新点体现在材料体系构建（金属-酚类复合物）、结构功能一体化设计（3D打印多孔支架）和智能响应机制（pH双响应释放）三个维度。特别是突破性地将中药活性成分（芦荟大黄素）与金属离子载体（Mg2?）结合，开创了天然产物与无机材料协同作用的新范式，为开发第四代骨修复材料奠定了理论基础和实践基础。