3D打印纳米氮化硅复合支架负载BMSCs微凝胶促进骨再生的协同机制研究

针对临界尺寸骨缺损修复的临床难题，研究人员开发了一种结合3D打印PLGA/Si3 N4 支架与BMSCs微凝胶的新型骨再生材料。通过高温熔融沉积建模技术构建的PS5@BM支架，利用Si4+ 离子释放与BMSCs旁分泌的协同作用，显著改善骨再生微环境，促进血管化和成骨分化，为重大骨缺损治疗提供了创新解决方案。

　　

骨骼是人体的支撑结构，但重大创伤或疾病导致的临界尺寸骨缺损（critical-size bone defects）修复一直是临床难题。传统治疗方法如自体骨移植存在供体有限、二次损伤风险，而异体骨移植和金属植入物则面临免疫排斥和长期失效等问题。如何构建兼具力学强度和生物活性的骨修复材料，成为组织工程领域的研究热点。

针对这一挑战，中国研究人员在《Journal of Materials Science》发表了一项创新研究。他们通过高温熔融沉积建模（FDM）3D打印技术，将纳米氮化硅（Si₃
N₄
）颗粒与聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）结合，构建了具有多孔结构的PS5支架（含5% Si₃
N₄
），并创新性地采用微流控技术将骨髓间充质干细胞（BMSCs）封装在甲基丙烯酰化明胶（GelMA）微凝胶中，形成PS5@BM复合体系。

关键技术方法
研究团队通过高温FDM 3D打印制备不同Si₃
N₄
含量的PLGA支架，利用微CT和扫描电镜（SEM）表征其多孔结构；采用大鼠股骨髁缺损模型评估体内成骨效果；通过qPCR和免疫荧光分析BMSCs的成骨分化标志物（如RUNX2、OCN）；使用酶联免疫吸附试验（ELISA）检测炎症因子（TNF-α、IL-10）和血管生成因子（VEGF）表达。

研究结果

1. 支架表征与性能优化
Micro-CT显示支架具有相互连通的孔隙结构（孔径300-500 μm），Si₃
N₄
的加入使接触角从98°（纯PLGA）降至65°，压缩模量提升2.3倍。体外矿化实验证实Si₃
N₄
促进羟基磷灰石沉积。

2. 细胞行为调控
PS5@BM组BMSCs的碱性磷酸酶（ALP）活性较对照组提高3.1倍，成骨相关基因表达上调。转录组分析显示Si⁴⁺
通过激活Wnt/β-catenin通路促进成骨分化。

3. 免疫微环境调节
植入8周后，PS5@BM组缺损区M2型巨噬细胞占比达78%，显著高于对照组（45%），炎症因子TNF-α下降62%而抗炎因子IL-10上升2.4倍。

4. 血管化与骨再生
微血管密度（CD31⁺
面积）提高3.8倍，新生骨体积（BV/TV）达41.7%，较空白组提升近5倍。同步辐射X射线成像显示新生骨与支架界面形成连续矿化层。

结论与意义
该研究首次揭示了Si₃
N₄
生物陶瓷在骨再生微环境中的三重协同机制：力学支撑、Si⁴⁺
离子释放调控免疫/血管化、BMSCs旁分泌促进成骨。PS5@BM支架通过"材料-细胞"双向作用，将传统被动修复转化为主动调控，为重大骨缺损的临床治疗提供了新范式。其创新性体现在：① 微凝胶技术解决细胞存活难题；② Si₃
N₄
/PLGA复合优化材料性能；③ 建立"免疫-血管-成骨"耦合修复理论。这项成果不仅拓展了氮化硅生物陶瓷的应用边界，也为组织工程支架的设计提供了新思路。