从抗菌剂到3D打印异质支架：刺激骨特性的体外与动物模型评估

研究人员针对牙周病导致的骨缺损修复难题，开发了含0.1%K21（季铵硅烷）的3D打印β-磷酸三钙支架。该研究通过原子力显微镜、XRD和拉曼成像证实支架具有优异机械性能（弹性模量1.98GPa）和90%β-TCP结晶度，兔骨缺损模型显示其能显著促进骨小梁形成（第28天达100%），并通过抑制P. gingivalis生物膜和下调IL-6等炎症因子实现抗菌-成骨双功能，为骨再生医学提供新技术方案。

　　

在口腔医学领域，牙周炎导致的牙槽骨缺损修复一直是临床难题。传统治疗方法面临两大挑战：一是牙菌斑生物膜中的革兰阴性厌氧菌（如Porphyromonas gingivalis）持续引发炎症反应，激活破骨细胞导致骨吸收；二是现有骨移植材料缺乏可控的抗菌-成骨双功能。更棘手的是，人类牙槽骨具有独特的解剖特点——在牙齿萌出时形成与牙周韧带的骨性附着，这种精密结构对支架的孔隙率（50-90%的松质骨与3-12%的皮质骨）和机械性能提出严苛要求。

为突破这些限制，研究人员开展了一项创新研究，开发出含0.1%季铵硅烷（K21）的3D打印异质支架。这项发表在《Regenerative Therapy》的研究，通过多尺度技术验证了该支架既能高效杀灭病原菌，又可促进骨组织再生。研究团队采用挤出式生物打印机（Cellink BioX）制备网格/实心两种结构的支架，运用原子力显微镜分析力学性能，X射线衍射（XRD）和拉曼光谱表征晶体结构，并通过兔上颌骨缺损模型（2×2mm）进行28天体内评估，同时采用转录组学解析分子机制。

在支架表征方面，所有生物墨水均展现出优异成型性（孔隙成型指数Pr>0.9）。0.1%K21组表现出最高弹性模量（1.98±0.09GPa）和抗压强度（1.41±0.05MPa），XRD显示其含有90%β-磷酸三钙（β-TCP），在2θ=27.25°和29.27°出现特征峰。拉曼光谱揭示该组具有最高v₁CO₃^2-/v₁PO₄^3-比值（62.5±6.1），表明碳酸盐掺入提升了生物活性。

抗菌实验显示，0.1%K21能完全清除E. faecalis生物膜（OD值降为0），荧光显微镜显示其对P. gingivalis的杀菌率达89.3%，显著优于氯己定（CHX）组。透射电镜观察到K21在6小时内穿透细菌膜结构，48小时完全降解。在兔骨缺损模型中，K21组第14天即形成26.33%骨小梁（对照组仅8%），至第28天实现100%缺损闭合，组织学显示炎症细胞评分从3分（重度）降至1分（轻度），胶原纤维排列有序。

基因组学分析发现，K21显著上调RUNX2（2.8倍）、BMP2（2.3倍）等成骨基因，同时下调IL-6（-2.1倍）和TNF-α（-2.4倍）等炎症因子。KEGG通路富集显示"ECM-受体相互作用"和"TGF-β信号"通路被激活，而"NF-κB信号"通路受抑制。这种双重调控机制解释了其促再生和抗炎协同效应。

该研究的突破性在于：①首次将抗菌剂K21整合到3D打印钙磷支架中，通过-C₁₈H₃₇烷基链破坏细菌膜，同时季铵氮正电荷吸引带负电的磷脂酸；②支架孔隙率（86±2.3%）和β-TCP含量模拟天然骨结构，v₁CO₃^2-峰增强提示其具有类骨矿物沉积能力；③体内实验证实其能同步解决感染控制和骨再生两大难题。相比传统方法，这种"抗菌-成骨"双功能支架为牙槽骨再生提供了更可靠的解决方案，尤其适用于伴有糖尿病等代谢性骨病的复杂病例。未来研究可进一步优化K21缓释动力学，并探索其在颌面大范围骨缺损中的应用潜力。