聚己内酯纳米纤维支架中铜离子的精准控释与回收：一种兼具抗菌与成骨协同效应的引导骨再生策略

这篇研究通过电纺聚己内酯（PCL）纳米纤维支架结合聚多巴胺（PDA）和铜离子（Cu2+）的pH响应性控释系统，开发了一种多功能引导骨再生（GBR）材料。该材料在酸性感染环境中释放Cu2+发挥抗菌作用，中性条件下回收离子以促进成骨基因（Runx2、Osx等）表达，实现了抗菌-成骨动态平衡，为感染性骨缺损治疗提供了新思路。

　　

1 引言

电纺技术制备的聚己内酯（PCL）纳米纤维因其类细胞外基质（ECM）的三维结构成为骨再生的理想支架，但其表面化学惰性限制了细胞粘附。研究创新性地利用聚多巴胺（PDA）涂层改善亲水性，并通过其丰富的酚羟基实现铜离子（Cu²⁺）的pH响应性负载与释放。Cu²⁺的双重功能——通过破坏细菌膜（如金黄色葡萄球菌和变形链球菌）实现抗菌，以及作为骨代谢酶辅因子促进成骨——成为该研究的核心靶点。

2 材料与方法

2.1 材料制备

通过电纺技术制备PCL纤维（直径678.5±18.9 nm），PDA修饰使纤维直径增至717.4±32.8 nm并形成粗糙表面。采用0.01-1 M梯度浓度CuCl₂溶液负载Cu²⁺，XPS证实Cu²⁺与PDA的螯合作用促使酚羟基氧化为醌结构（Cu3组醌占比达67.4%）。

2.2 性能表征

• pH响应性：酸性环境（pH=5）下Cu²⁺释放量较中性环境（pH=7）提升3倍，符合感染部位低pH特征。

• 力学性能：PCL/PDA/Cu的拉伸强度（6.8±0.9 MPa）低于纯PCL（9.23±1.05 MPa），但满足GBR膜要求。

• 亲水性：接触角从PCL的105°降至PCL/PDA/Cu的30°，显著提升细胞粘附。

3 结果与讨论

3.1 生物学效应

• 抗菌性能：0.1 M Cu²⁺组对金黄色葡萄球菌的抑菌率达98.7%，SEM显示细菌膜破裂（图9）。

• 成骨诱导：ALP活性在PCL/PDA/Cu组较PCL提升2.3倍，矿化结节面积增加4倍（图8）。基因检测显示Runx2和OCN表达量分别上调5.1倍和3.8倍。

3.2 协同机制

Cu²⁺通过激活Wnt/β-catenin通路促进成骨，同时其pH依赖性释放特性（酸性环境释放率0.8 μg/day vs. 中性环境0.2 μg/day）实现了"感染时杀菌-修复时促骨"的智能调控。

4 结论

该PCL/PDA/Cu支架通过微环境响应性Cu²⁺控释系统，将抗菌效率（>95%）与成骨性能（ALP活性提升200%）有机结合，为感染性骨缺损提供了"一箭双雕"的治疗策略，未来可拓展至牙周再生等复杂创面修复领域。