新型丁香精油负载介孔生物活性玻璃纳米颗粒复合可注射水凝胶：增强骨再生的抗氧化与抗菌协同策略

这篇研究开发了一种基于海藻酸钠(Alg)-明胶(Gel)-黄原胶(Xan)的可注射水凝胶，通过负载不同浓度丁香精油(CLV)的介孔生物活性玻璃纳米颗粒(MBGNs)，实现了多孔结构优化（100-200μm）、力学性能提升（杨氏模量增加）和双重生物活性（抗氧化/抗菌）。该系统通过MBGNs的缓释特性实现了CLV的两阶段释放（突释+持续释放），体外实验证实其能促进MC3T3-E1前成骨细胞增殖且不改变细胞形态，为骨缺损修复中感染控制与氧化应激调控提供了创新解决方案。

　　

1 引言

全球骨折病例的激增推动骨组织工程(BTE)发展，可注射水凝胶因其微创性和形状适应性成为研究热点。传统骨水泥存在机械性能与生物活性难以兼顾的问题，而天然聚合物复合体系展现出独特优势：海藻酸钠(Alg)通过Ca²⁺交联形成三维网络，黄原胶(Xan)提升酸性环境稳定性，明胶(Gel)则通过RGD肽序列促进细胞粘附。本研究创新性地将丁香精油(CLV)负载于介孔生物活性玻璃纳米颗粒(MBGNs)中，再嵌入Alg-Gel-Xan基质，既克服了CLV疏水性导致的释放难题，又通过MBGNs的离子释放协同增强骨再生。

2 结果与讨论

2.1 形态学表征

SEM显示所有水凝胶均具有100-200μm的贯通多孔结构，符合骨组织工程要求。MBGNs+CLV颗粒被聚合物薄层包裹均匀分散，未显著改变孔隙率，这与Zn-Sr共掺BG纳米颗粒导致孔隙缩小的报道形成对比。

2.2 化学表征

ATR-FTIR证实了各组分的成功复合：1020 cm^-1处C-O-C伸缩振动（Alg/Xan重叠峰），1610 cm^-1处酰胺I带（Gel）与COO^-不对称伸缩（Alg）重叠，450 cm^-1处Si-O-Si振动（MBGNs特征峰）。

2.3 可注射性与粘附性

21G针头挤出实验显示所有样品注射力<20N（临床安全阈值），力-时间曲线呈现典型两阶段（线性上升+平台期）。倒置玻璃板实验证实MBGNs的加入通过氢键作用增强了与亲水表面的粘附。

2.4 力学性能

压缩测试揭示MBGNs+CLV使杨氏模量显著提升（p<0.001），归因于：①MBGNs+1.5CLV带正电与Alg的COO^-静电作用；②MBGNs+3CLV带负电与Gel的NH₃⁺结合；③Ca²⁺释放促进Alg交联。

2.5 体外释放与降解

CLV释放呈现三阶段：0-24h突释（对应水凝胶快速溶胀）、24-72h平台期、72h后持续释放（聚合物网络降解主导）。MBGNs使最大溶胀延迟至72h（纯水凝胶为24h），因其Ca²⁺释放产生原位交联效应。

2.6 总酚含量与抗氧化活性

TPC测定显示Alg-Gel-Xan-MBGNs+3CLV的酚类含量是+1.5CLV组的2倍（p<0.001）。DPPH清除实验证实抗氧化活性与CLV浓度正相关，3CLV组5天达100%清除率，而1.5CLV组需7天。

2.7 抗菌性能

对E. coli和S. aureus的抑制呈现时间依赖性：6h开始显效，24h抗菌率>80%。CFU计数显示3CLV组对E. coli效果更显著（p<0.01），SEM观察到细菌膜结构破裂，符合CLV破坏细胞膜完整性的机制。

2.8 体外细胞相容性

WST-8检测显示MBGNs+CLV组细胞活性比纯水凝胶提高15%（p<0.05），荧光显微镜可见典型纺锤形形态，F-actin分布均匀，证实材料无细胞毒性。

3 结论

该研究构建的多功能可注射水凝胶系统，通过MBGNs实现CLV控释与力学增强的双重功能，其抗氧化（DPPH清除率100%）、抗菌（抑菌率>80%）和促成骨（细胞活性>120%）性能的协同作用，为感染性骨缺损修复提供了新策略。未来可进一步探索BG组分调控对离子释放动力学的影响。

4 实验方法

水凝胶采用mTG酶/CaCl₂双重交联，CLV通过超声辅助负载于MBGNs（1.5/3 mg/mL）。抗菌测试采用浊度法+CFU计数，细胞实验通过间接接触法评估，所有数据经ANOVA检验（Origin 2023）。