镁磷酸盐功能化氧化石墨烯与PLGA复合基质：增强骨再生的力学与成骨性能研究

本研究针对骨缺损修复中现有治疗策略的局限性，创新性地将镁磷酸盐功能化氧化石墨烯(MgPG)与聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)复合，构建了具有优异力学性能和成骨活性的微球基支架。通过系统表征证实MgPG的掺入显著提升了复合材料的抗压强度(PLGA/MgPG5达38.81±0.99 MPa)和亲水性(接触角降低至82.53±2.40°)，体外实验显示5wt% MgPG组碱性磷酸酶(ALP)活性和钙沉积量较纯PLGA提升近2倍。机制研究表明MgPG通过激活Wnt/β-catenin通路促进成骨分化，为无生长因子骨再生材料开发提供了新思路。

　　

骨组织再生一直是骨科领域的重要挑战，每年全球有数百万患者遭受临界尺寸骨缺损的困扰。当前的金标准治疗——自体骨移植存在供体部位并发症、组织量有限等问题，而金属植入物则面临缺乏骨整合和长期腐蚀等缺陷。尽管再生工程领域已开发出多种合成骨移植材料，但兼具力学强度、生物相容性、降解匹配性和成骨诱导性的理想支架仍未实现。

针对这一难题，美国康涅狄格大学再生工程研究所（The Cato T. Laurencin Institute for Regenerative Engineering, University of Connecticut）的研究团队创新性地将镁磷酸盐功能化氧化石墨烯(Magnesium Phosphate Graphene, MgPG)与聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA)结合，开发出新型复合微球基质。相关研究成果发表在《Regenerative Biomaterials》上，为解决骨再生中的关键问题提供了突破性方案。

研究团队采用油包水乳液溶剂法制备微球，通过热烧结构建三维多孔支架，并运用μCT、SEM、TGA等技术进行系统表征。体外实验采用MC3T3-E1前成骨细胞模型，通过Live/Dead染色、MTS检测评估细胞相容性，ALP活性测定和茜素红染色分析成骨分化，结合RT-qPCR和ELISA探究分子机制。

镁磷酸盐石墨烯基质特性
μCT分析显示所有组别的微球直径(300-600μm)和孔隙尺寸(~290μm)保持稳定，满足细胞浸润需求。SEM证实MgPG均匀分散于PLGA基质中，EDS图谱显示镁(5原子%)和磷(7原子%)的均匀分布。TGA验证了MgPG在PLGA中的成功包封，PLGA/MgPG1和PLGA/MgPG5的包封效率分别达85.09%和91.96%。

物理性能表征
力学测试显示PLGA/MgPG5的抗压强度(38.81±0.99 MPa)是纯PLGA的4倍，而压缩模量无显著差异。接触角测试表明MgPG的加入使材料亲水性显著提升(PLGA组82.53±2.40°→PLGA/MgPG5组显著降低)。降解实验显示90天内PLGA/MgPG5的溶胀率(<10%)和重量损失(~5%)可控，且pH值保持稳定。

细胞相容性与成骨潜力
Live/Dead染色和MTS检测证实所有含石墨烯材料组均具有良好的细胞相容性。ALP活性检测显示PLGA/MgPG5在成骨培养基中第14天的活性显著高于PLGA组。茜素红染色显示PLGA/MgPG5在第28天的钙沉积量是PLGA的近2倍，且在基础培养基中也表现出显著成骨活性，证实了MgPG作为诱导子(inducerons)的成骨诱导能力。

Wnt通路与成骨作用机制
RT-qPCR显示PLGA/MgPG5显著上调β-catenin基因表达(2.5倍)，即使存在DKK1抑制剂时仍保持较高水平。ELISA检测发现WISP-1蛋白表达增加2倍，BMP-2表达也显著提升，表明MgPG通过经典Wnt通路促进成骨分化。

这项研究成功开发出具有优异力学性能和成骨活性的PLGA/MgPG复合支架。材料表征证实5wt% MgPG的掺入使抗压强度提升4倍，同时保持良好的降解性能和细胞相容性。体外实验首次揭示MgPG通过激活Wnt/β-catenin通路促进成骨分化，其双重作用机制包括：镁离子直接刺激和磷酸盐提供的矿化平台。特别值得注意的是，该材料在无外源成骨因子条件下仍能诱导显著钙沉积，为开发无生长因子的骨再生材料提供了新范式。研究提出的"离子诱导子"策略——通过可控释放镁离子和磷酸根离子激活内源性修复机制，代表了骨再生工程领域的重大进步，为临床治疗临界尺寸骨缺损提供了潜在解决方案。未来通过动物实验验证后，这种可避免生长因子相关副作用的新型支架有望成为骨科医生的有力工具。