铜掺杂生物活性玻璃增强3D打印PCL基支架的抗菌与成骨性能研究

《Biomimetics》：Antibacterial and Osteogenic Properties of 3D-Printed Poly(ε-Caprolactone) PCL/Bioactive Glass Scaffolds

　　

摘要 生物活性玻璃（Bioactive Glasses, BGs）因其可通过组成调控的成骨与抗菌潜力而被广泛研究。本研究采用熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技术制备了两种不同的聚己内酯（Poly(ε-Caprolactone), PCL）/BG复合材料SBA3与SBA3_Cu，获得用于抗菌测定的平面样品以及具有骨样三维结构的支架，同时以纯PCL构建物作为对照。研究人员选用大肠杆菌（Escherichia coli）作为典型的革兰氏阴性菌模型，用于研究植入物相关骨感染。支架接种脂肪来源干细胞（Adipose Derived Stem Cells, ASCs）作为成骨前体细胞模型，以评估其成骨性能。含有SBA3与SBA3_Cu的两种复合材料在5小时后均显著降低了细菌的代谢活性和存活率，而RUNX2、OSX和ALP的基因表达分析显示，所测试的生物材料之间无显著差异。MicroCT分析表明，在成骨培养基中形成了稳定的矿物质基质，但PCL/SBA3_Cu除外。这些发现提示，在本实验条件下，铜的添加未能产生额外的成骨或抗菌效果。因此，优化铜掺杂BGs的元素组成和溶出动力学，对于向间充质基质细胞提供适当的分化信号，同时维持骨异体材料所需的抗菌特性，是至关重要的。

研究背景与问题

骨组织工程（Bone Tissue Engineering, BTE）领域长期面临大段骨缺损修复中血管新生不足的挑战，而生物活性玻璃（Bioactive Glasses, BGs）因其良好的骨诱导性和离子释放能力被广泛研究。然而，传统BGs力学性能较差，难以单独作为承重支架使用，因此常与聚己内酯（Poly(ε-Caprolactone), PCL）等高分子材料复合。尽管铜离子（Cu²⁺）具有促血管生成和抗菌潜力，但其掺杂浓度、释放动力学及对成骨分化的影响仍需系统评估。此外，抗生素耐药性问题日益严峻，亟需开发非药物替代策略以预防植入物相关感染。本研究旨在通过3D打印技术制备PCL/BG复合支架，系统评估铜掺杂对支架抗菌性能及成骨分化能力的影响。

研究内容与结论

研究人员采用熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技术制备了纯PCL、PCL/SBA3和PCL/SBA3_Cu三种支架材料。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和能量色散X射线光谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX）表征材料表面形貌和元素组成；利用电感耦合等离子体发射光谱（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy, ICP-OES）分析离子释放动力学；通过刃天青还原实验、BacTiter-Glo发光法和LIVE/DEAD荧光染色评估大肠杆菌（Escherichia coli）的代谢活性、存活率和膜完整性；采用实时荧光定量PCR（Real-time PCR）检测成骨相关基因RUNX2、OSX和ALP的表达；通过MicroCT和SEM定量分析培养两个月后支架内矿化基质沉积情况。

主要研究结果

材料表征与离子释放

SEM和EDX分析确认了BG颗粒在PCL基体中的均匀分散，PCL/SBA3_Cu样品中检测到微量铜元素。离子释放实验显示，PCL/SBA3的硅离子释放量显著高于PCL/SBA3_Cu，铜离子仅在PCL/SBA3_Cu组中检出，浓度达4.4 mg/L，表明铜掺杂降低了玻璃网络的溶解速率。

抗菌活性评估

刃天青还原实验和BacTiter-Glo发光法均显示，PCL/SBA3和PCL/SBA3_Cu对大肠杆菌的代谢活性和存活率有显著抑制作用，但两者之间无显著差异。LIVE/DEAD荧光染色证实SBA3组分导致细菌膜完整性受损，而铜掺杂未提供额外的抗菌增强效果。

成骨分化基因表达

培养1周后，PCL/SBA3组OSX表达显著高于其他组，但RUNX2和ALP无显著差异；培养2周后，PCL/SBA3_Cu组ALP表达显著低于纯PCL组。总体上，支架组成未对早期和中期成骨分化标志物产生一致影响。

矿化基质沉积分析

SEM定性观察显示各组间矿化基质沉积差异较小，但MicroCT定量分析表明，在成骨培养基条件下，PCL/SBA3_Cu组的矿化组织形成量显著低于PCL和PCL/SBA3组，提示铜离子累积可能干扰基质成熟和矿物沉积。

讨论与结论

本研究结果表明，铜掺杂未能在实验条件下产生额外的成骨或抗菌效果，可能与铜离子浓度不足或释放动力学不匹配有关。研究强调了优化BG基复合材料离子释放谱的重要性，以实现成骨与抗菌性能的平衡。未来研究应结合动态培养系统，更准确地评估材料在生理相关条件下的生物学效应，为骨再生治疗提供数据驱动的材料设计依据。研究结论指出，在本实验条件下，铜添加未能产生有益的成骨或抗菌效果，未来需通过标准化和生理相关的体内外模型，阐明BG离子溶出产物的具体贡献及其浓度依赖性效应，以支持骨再生治疗中BG的精准设计。