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目前骨再生面临诸多难题，如自体和异体移植物存在局限，合成生物材料支架固有骨诱导性不足。研究人员开展 3D 打印聚己内酯（PCL）支架搭载无定形磷酸钙 - 壳聚糖纳米颗粒（ACPC - NP）促进骨再生的研究，发现其能有效促进骨再生，为骨修复提供新策略。
在骨骼修复的医学领域，一直以来都面临着诸多棘手的问题。当患者遭遇严重的节段性骨缺损时，治疗过程困难重重。传统的治疗方式中，自体移植虽然是临床的 “黄金标准”，它具有良好的骨传导、诱导和生成特性，但却存在供体部位发病、可用性受限以及整合效果参差不齐等问题。异体移植虽然来源相对丰富，却有着免疫原性、疾病传播风险以及因处理导致的骨诱导性降低等缺陷。而合成生物材料，像生物陶瓷和可降解聚合物，虽然能提供定制的结构和机械性能，可其本身缺乏固有的生物活性，添加生物制剂后又会带来监管、安全和成本等方面的障碍。这些问题犹如一道道难以跨越的鸿沟，严重阻碍了骨再生治疗的发展，也让无数患者承受着身体和经济的双重痛苦。
在这样的困境下，美国罗彻斯特大学（University of Rochester）的研究人员挺身而出，开展了一项极具创新性的研究。他们致力于研发一种新型的三维（3D）打印聚己内酯（PCL）支架，通过将具有骨免疫调节作用的无定形磷酸钙 - 壳聚糖纳米颗粒（ACPC - NP）整合到支架中，探索其在骨再生领域的巨大潜力。研究结果令人振奋，这种搭载 ACPC - NP 的 3D 打印 PCL 支架在促进骨再生方面表现卓越，能够实现临界尺寸桡骨缺损的完全再生，并恢复其生物力学强度。这一成果为骨再生治疗带来了新的曙光，为解决临床骨修复难题提供了极具前景的方案，相关研究成果发表在《Bioactive Materials》杂志上。
研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先是材料制备技术，通过特定的化学反应合成 ACPC - NP，并采用优化的低温挤出 3D 打印技术制备 PCL 支架，使支架能够搭载高浓度的纳米颗粒。其次，利用细胞实验技术，对小鼠骨髓基质细胞系（ST2）、小鼠骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs）以及破骨细胞进行体外培养和检测，评估 ACPC - NP 对细胞的影响。此外，动物实验技术也不可或缺，构建大鼠桡骨缺损模型，植入不同类型的支架，通过纵向 μCT 成像、组织学分析、免疫荧光检测、生物力学测试和批量 RNA 测序等手段，全面评估支架的体内骨再生效果。
下面让我们详细了解一下具体的研究结果：
- 纳米颗粒和 3D 打印支架的合成与表征：成功合成 ACPC - NP，其具有均匀稳定的尺寸，且在 3D 打印 PCL 支架中实现了高浓度负载。支架具有较高的表面粗糙度和较大的表面积，利于组织生长。体外和体内实验均显示，ACPC - NP 从支架中呈现出初始的快速释放，随后是持续释放，且释放过程与支架的降解相匹配。
- 纳米颗粒浓度对成骨分化和信号通路的影响：在体外实验中，不同浓度的 ACPC - NP 对 ST2 细胞进行处理。结果发现，在一定浓度范围内，ACPC - NP 能剂量依赖性地促进成骨分化，增强相关基因的表达。通过对 Wnt 和 Notch 信号通路的研究发现，ACPC - NP 中的钙离子能够激活这两条信号通路，进而促进成骨。同时，在 3D 打印 PCL 支架上进行的成骨实验也表明，ACPC - NP 支架的矿化程度显著高于其他支架。
- 纳米颗粒浓度对巨噬细胞极化的影响：将不同浓度的 ACPC - NP 作用于巨噬细胞，发现其能剂量依赖性地影响巨噬细胞的极化。随着 ACPC - NP 浓度的增加，M1 和 M2 表型标记物的表达均有所上升，诱导出一种混合的 M1/M2 表型，这种表型可能对骨再生起到免疫调节作用。而缺乏钙离子的 CMC - NP 对巨噬细胞极化的影响则明显较弱。
- 纳米颗粒浓度对破骨细胞分化和功能的影响：实验表明，ACPC - NP 浓度的增加会抑制破骨细胞的分化和功能。通过免疫荧光染色、RT - PCR 分析以及骨吸收功能检测发现，高浓度的 ACPC - NP 能够减少多核破骨细胞的形成，下调破骨细胞特异性基因的表达，抑制骨吸收活动。
- 3D 打印支架在大鼠桡骨缺损模型中的再生潜力：在大鼠桡骨缺损模型中，植入 ACPC - NP 负载的 PCL 支架（NP 支架）后，通过纵向 μCT 成像、生物力学测试和组织学分析等发现，NP 支架在促进骨形成方面表现优异，能够加速骨愈合，恢复骨骼的力学性能，实现有效的骨整合。与其他支架相比，NP 支架能诱导更强的免疫调节反应，促进 M2 巨噬细胞的持续表达，抑制早期破骨细胞的活性，有利于骨再生。
- 批量 RNA 测序的机制洞察：通过对支架周围组织细胞的批量 RNA 测序分析，发现 NP 支架在促进骨再生过程中，涉及到炎症和免疫反应、细胞外基质组织、血管和骨骼系统发育等多个生物学过程。基因集富集分析（GSEA）表明，NP 支架在早期上调了与免疫功能和骨生成相关的信号通路，如细胞因子 - 细胞因子受体相互作用、JAK - STAT 信号通路、NFκB 信号通路、MAPK 信号通路、Notch 信号通路和 Wnt 信号通路等，进一步揭示了其促进骨再生的分子机制。
综合上述研究结果，此次研究具有重要的意义。研究人员成功制备了搭载 ACPC - NP 的 3D 打印 PCL 支架，该支架通过调节巨噬细胞极化和破骨细胞活性，促进成骨分化，实现了高效的骨再生。这不仅为解决临床骨修复难题提供了新的策略，也为骨再生领域的研究开辟了新的方向。同时，研究中所使用的材料和技术具有良好的临床转化潜力，有望为未来的骨再生治疗带来新的突破。然而，研究也存在一些需要进一步探索的地方，例如 ACPC - NP 在体内的长期稳定性以及潜在的副作用等问题，这些都为后续的研究指明了方向。相信在未来，随着研究的不断深入，这种新型的骨再生技术将能够更好地造福广大患者。
