3D打印镁/锶共掺杂硅酸钙支架通过协同生物活性离子刺激促进血管生成与骨再生

本研究针对骨缺损修复中血管化与成骨协同调控的难题，开发了3D打印镁/锶共掺杂硅酸钙(MSCS)支架。通过直接墨水书写技术优化支架结构，证实Sr2+/Mg2+共掺杂可平衡降解速率并增强生物活性，显著促进Wharton胶间充质干细胞(WJMSCs)的增殖、成骨分化及人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的血管形成。动物实验证实M5S5支架能显著提升骨小梁架构与矿化程度，为骨组织工程提供了兼具促血管与成骨功能的创新材料。

　　

骨骼作为人体重要的支撑结构，其损伤修复一直是临床面临的重大挑战。创伤、感染或肿瘤切除导致的骨缺损往往超出机体自我修复能力，传统自体骨移植存在供区并发症，而异体移植则面临免疫排斥风险。更为关键的是，成功的骨再生需要血管网络与新生骨组织的时空协同——就像建筑工地需要同时铺设管道和浇筑混凝土。然而现有生物材料往往难以同时满足这两个关键需求，这成为制约骨再生疗效的"阿喀琉斯之踵"。

针对这一难题，亚洲大学的研究团队在《Journal of Biological Engineering》发表创新研究，通过3D打印技术开发了镁(Mg²⁺)/锶(Sr²⁺)共掺杂的硅酸钙(MSCS)支架。该研究巧妙利用两种生物活性离子的协同效应：Mg²⁺促进早期血管生成，而Sr²⁺增强后期成骨分化，最终制备的M5S5支架在兔股骨缺损模型中展现出卓越的骨再生能力，为复杂骨缺损修复提供了新型"双功能"解决方案。

研究团队采用直接墨水书写技术制备四种不同掺杂比例的支架，通过X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征材料特性。体外实验采用Wharton胶间充质干细胞(WJMSCs)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)评估生物活性，并通过兔股骨缺损模型进行体内验证。关键检测包括微计算机断层扫描(μ-CT)、组织学染色及Western blot分析相关信号通路。

材料表征与性能优化
XRD分析显示Sr掺杂导致晶格间距增大，而Mg掺杂引入新相Ca₇Mg(SiO₄)₄。接触角测试证实所有支架亲水性良好(60-70°)，元素映射显示Sr/Mg均匀分布。力学测试揭示Sr提升稳定性(M0S5模量67.4 MPa)，而Mg加速降解(M5S0模量34.0 MPa)，M5S5取得平衡(模量46.5 MPa)。浸泡实验表明M5S5在模拟体液(SBF)中形成均匀磷灰石层，6个月降解率34.0%，显著优于单掺杂组。

细胞响应与机制探索
PrestoBlue检测显示M5S5组细胞增殖率最高，较对照组提升23%。荧光染色可见WJMSCs在M5S5上呈现典型纺锤形态。血管生成实验中，M5S5条件培养基使HUVECs形成密集管状结构，血管内皮生长因子(VEGF)分泌量达峰值(第14天增加2.1倍)。Western blot揭示M5S5同时激活β-catenin和TRPM7/PI3K/Akt通路，证实了Mg²⁺通过TRPM7离子通道、Sr²⁺通过Wnt信号的双重调控机制。

动物实验验证
μ-CT显示M5S5植入8周后骨体积分数(BV/TV)显著高于对照组(增加3.2倍)，组织学显示密集的骨小梁和钙结节(Von Kossa染色阳性)。Masson三色染色证实M5S5组胶原沉积量最多，新生血管密度较对照组提高178%，实现了血管化骨再生的设计目标。

这项研究通过精准调控Sr²⁺/Mg²⁺释放动力学，创造了兼具促血管和成骨功能的智能支架。其创新点在于：首次在3D打印硅酸钙支架中实现两种离子的时空协同释放；阐明TRPM7与Wnt通路的交叉对话机制；通过可降解聚合物基体解决传统陶瓷脆性问题。该成果为大型骨缺损修复提供了新的材料设计范式，未来可通过个性化3D打印进一步优化支架结构，推动临床转化应用。