定制化高通量微流控技术制备多功能多孔微球用于骨修复

为解决骨缺损修复中存在的免疫排斥、局部抗感染不足及传统支架功能单一等问题，研究人员通过定制化同轴微流控系统（CCMS）开发了PDTH多孔微球（PDTH PMs）。该微球以PLGA为基体，负载PDA、TOB和HA纳米颗粒，兼具抗菌、ROS清除和促成骨功能。体外实验证实其可促进BMSC增殖迁移及成骨分化，大鼠颅骨缺损模型显示其显著提升骨密度与新骨形成。该研究为骨再生提供了兼具微创性与多功能性的新型解决方案。

　　

骨缺损修复一直是临床面临的重大挑战。创伤、感染或手术导致的临界尺寸骨缺损无法自行愈合，而传统治疗方法如自体/异体移植存在供体疼痛、免疫排斥等局限。尽管生物支架在药物递送和细胞承载方面展现出潜力，但现有宏观支架需手术植入且功能单一，难以满足抗感染、抗炎和促成骨的多重需求。更棘手的是，细菌感染易引发骨髓炎，而炎症微环境中的活性氧（ROS）会抑制成骨细胞分化，进一步阻碍修复进程。

针对这一系列问题，昆明医科大学的研究团队在《Biomaterials Advances》发表了一项创新研究。他们设计了一种基于定制化同轴微流控系统（CCMS）的高通量制备技术，成功开发出集抗菌、抗氧化和促成骨功能于一体的PDTH多孔微球（PDTH PMs）。该微球以聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）为基质，表面修饰聚多巴胺（PDA），内部负载含妥布霉素（TOB）和羟基磷灰石（HA）纳米颗粒的光交联水凝胶。

研究团队运用三项核心技术：1）通过CCMS实现油包水（O/W）乳液精准控制，制备尺寸均一的PLGA多孔微球；2）利用PDA的邻苯二酚/亚胺基团赋予微球ROS清除能力；3）将载药水凝胶嵌入微球互连孔隙，实现TOB和HA的缓释。这种"微流控制备+功能模块化集成"的策略，突破了传统支架难以兼顾微创性与多功能性的技术瓶颈。

材料与方法

研究采用PLGA（Mw≈66,000–107,000）为基材，通过CCMS将含Na₂CO₃/NaHCO₃的水相与PLGA有机相形成O/W乳液，经挥发固化得到多孔微球。随后通过DA自聚合在微球表面形成PDA涂层，最后将含TOB和HA的甲基丙烯酰化明胶（GelMA）水凝胶注入孔隙并光交联固定。

体外实验结果

PDTH PMs展现出优异的性能：1）孔径20-50μm的互连孔隙结构使药物封装效率提升3倍；2）PDA使ROS清除率达89%（DPPH法）；3）TOB缓释7天对金黄色葡萄球菌抑菌圈达18mm；4）通过激活Wnt/β-catenin通路，使BMSC的ALP活性提高2.1倍，OCN和RUNX2表达显著上调。

动物实验验证

在大鼠颅骨缺损模型中，Micro-CT显示PDTH PMs组8周后新骨体积分数（BV/TV）达42.7%，显著高于对照组的15.3%。组织学分析可见明显的新骨小梁形成，且重要器官未见病理损伤，证实其生物安全性。

这项研究的突破性在于：1）首创将微流控技术用于骨修复微球的规模化制备，单批次产量达10⁶个/小时；2）通过"孔隙装载+表面修饰"实现抗菌（TOB）、抗氧化（PDA）和矿化（HA）三重功能协同；3）证实微球可通过注射方式精准填充不规则骨缺损，避免二次手术创伤。该成果为复杂骨缺损的微创治疗提供了新的技术范式，其微流控平台还可拓展至其他组织工程领域应用。正如通讯作者Lei Zhang强调的，这种模块化设计思路有望推动下一代智能生物材料的开发。