《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Biointerface-Engineered Trabecular Scaffolds Integrating Chitosan/Icariin Self-Assembly and Mild Photothermal Regulation for Enhanced Osteogenesis
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骨组织再生多策略协同调控研究。通过3D打印构建羟基磷灰石增强的聚乳酸多孔支架，整合壳聚糖-icariin自组装微结构及近红外光热响应机制，实现物理力学支撑、生物活性调控与精准药物释放的三重协同效应。体外实验证实该支架可显著促进骨间充质干细胞黏附、分化及碱性磷酸酶活性提升，体内研究显示其能加速骨缺损修复、胶原沉积及新生血管形成。转录组学分析揭示PI3K-Akt信号通路及细胞外基质受体互作通路的激活是主要作用机制。该研究为骨再生工程提供了整合结构仿生、界面调控与光热响应的创新解决方案。
Huiying Bi|Fen He|Shaochuan Huo|Haixin Liu|Yue Feng|Wenbo Ming|Shuai Wang|Xiang Luo|Guochao Liao|Rong Zhang|Zhongqiu Liu|Lilei He|Kun Liu
中国广州中医药大学国际转化中医研究院药学科学学院
摘要
由于缺乏能够在生物界面协调物理和生化信号以有效调节骨形成的支架系统，关键尺寸的骨缺损再生仍然是一个重大的临床挑战。在此，我们报道了一种通过熔融沉积建模制造的生物界面工程化、类似小梁结构的支架，该支架结合了多巴胺改性的羟基磷灰石（pHAP）增强的聚（L-乳酸）和壳聚糖/淫羊藿苷（CA）自组装微结构，以协同调节骨形成。pHAP修饰显著增强了支架的界面粘附性、亲水性、机械韧性和近红外（NIR）光热响应性，而CA的自组装产生了层次化的微丝，实现了淫羊藿苷的持续释放并改善了细胞-材料相互作用。体外研究表明，这种多功能支架显著促进了骨间充质干细胞的粘附、扩散和骨形成分化，尤其是在温和的光热刺激下，这通过碱性磷酸酶活性的提高、细胞外基质的沉积、钙矿化和骨形成基因的表达得到了证实。体内植入大鼠颅骨缺损模型显示，CA功能化的支架显著加速了新骨的形成、胶原沉积和新生血管的形成，且未引发不良的炎症反应。转录组分析进一步揭示了与骨形成和生物界面相关的信号通路的激活，包括PI3K–Akt信号通路和细胞外基质-受体相互作用，为支架介导的再生效应提供了机制上的见解。总体而言，这项研究表明，在单一的小梁支架中合理整合界面化学、层次化微结构和光热调节是一种有效策略，可以协同增强骨形成和血管生成，突显了其在骨组织工程应用中的潜力。
引言
由创伤、肿瘤切除或先天性异常引起的大骨缺损仍然是重大的临床挑战，因为骨组织的再生能力有限。骨组织工程作为一种有前景的替代策略，旨在通过合理整合生物材料支架、生物活性信号和细胞反应来恢复骨结构和功能。在这些要素中，支架不仅提供机械支持，还建立了一个动态调节细胞粘附、迁移、分化和组织重塑的生物界面[1]、[2]、[3]。然而，几种传统的支架无法复制这种复杂的微结构，导致整合效果不佳和再生效果有限。3D打印技术的最新进展使得能够制造出具有精确控制结构的支架[4]、[5]、[6]、[7]。例如，计算机辅助设计（CAD）能够创建具有仿生小梁结构的支架，这些支架不仅紧密模仿了天然骨的形态，还提高了机械性能[8]、[9]、[10]。然而，仅靠结构模仿不足以完全再现骨的生物功能。越来越多的证据表明，支架的生物性能关键取决于其界面特性，包括表面化学性质、润湿性和机械相容性，这些特性共同决定了细胞-材料在生物界面上的相互作用。
聚（L-乳酸）（PLLA）是一种可生物降解的聚合物，由于其机械性能和生物相容性，已被广泛用于支架的制造[11]、[12]。然而，其疏水性和缺乏内在的生物活性限制了其支持细胞粘附和骨形成的能力。近年来，研究人员越来越关注将生物活性因子整合到支架中，特别是来自天然植物的生物活性化合物[13]、[14]。淫羊藿苷（ICA）是从淫羊藿属植物中提取的黄酮类糖苷，在骨再生方面显示出相当大的潜力[14]、[15]、[16]、[17]；然而，ICA的水溶性差、生物利用度低和快速代谢降解阻碍了其临床应用[18]。递送策略试图将ICA整合到可生物降解的聚合物基质或载体系统中，从而在缺损部位实现局部、持续和生物活性的释放。值得注意的是，壳聚糖（CS）是一种天然衍生的多糖，具有内在的生物相容性和可生物降解性，已成为ICA递送的有效载体[19]、[20]、[21]。CS和ICA之间的静电和氢键相互作用有助于形成稳定的自组装复合物，这不仅保护ICA免于过早降解，还生成有利于干细胞粘附和分化的微/纳米结构环境。尽管具有这种潜力，但将药物与结构仿生和功能响应性支架合理整合的研究仍不够充分。因此，开发同时提供机械支持、空间引导和可控植物化学释放的递送平台是骨组织工程中的一个有前景的方向。
综上所述，我们假设一种生物界面工程化的小梁支架，结合PDA增强的支架-填充物界面粘附性和表面生物活性、类似小梁的结构与CA自组装微丝结构、保持在生物可耐受范围内的NIR触发温度升高，以及由CS/ICA自组装调控的淫羊藿苷的释放，可以在细胞-材料界面协调多种骨形成信号，从而为骨再生创造有利的微环境。在这项研究中，我们设计并制造了一种类似小梁的3D打印支架，其中包含在PLLA基质中的多巴胺（PDA）改性的羟基磷灰石，随后通过CS/ICA自组装微结构进行生物功能化，如图1所示。所得支架在一个平台上整合了机械支持、界面调节、温和的光热刺激和可控的植物化学递送。我们系统地研究了其物理化学性质、生物界面特性、骨形成性能和机制。这项工作为如何通过工程化生物界面协同调节骨形成和血管生成提供了机制上的见解。
材料
本研究使用了以下材料：商业PLLA（分子量g = 200,000）（Dimenxun有限公司），Tris（羟甲基）氨基甲烷和盐酸多巴胺（Sigma-Aldrich），CS（脱乙酰度为85%，分子量g = 30,000）（山东医疗器械研究所），其结构通过1H-NMR光谱在图S1中确定，ICA（TargetMol有限公司），以及乙醇、盐酸（HCl）和其他分析级试剂（广州化学试剂厂）。
HAP和pHAP的制备
HAP的合成...
pHAP掺杂PLLA复合纤维的合成与表征
除了改善羟基磷灰石在PLLA基质中的分散性外，多巴胺修饰从根本上改变了支架的生物界面特性。富含儿茶酚和胺的多巴胺层增强了pHAP和PLLA之间的界面粘附性，从而在机械加载下实现了更均匀的应力分布。这种界面光热转换提供了一种非接触式的方法来调节细胞活性，同时保持了支架的结构完整性。
结论
总之，本研究验证了协调物理和生化信号对于有效骨形成和骨再生至关重要的假设。我们设计了一种多功能小梁支架（PPH–CA），它整合了结构、机械、热和生化信号，以协同促进骨再生。通过将pHAP增强的PLLA与CA自组装微结构相结合，该支架展示了改进的界面相容性...
利益冲突声明
没有需要声明的利益冲突。
数据可用性
支持本研究发现的数据可向相应作者索取。
作者贡献声明
Xiang Luo：数据管理、概念化。
Guochao Liao：数据管理、概念化。
Lilei He：形式分析、概念化。
Huiying Bi：可视化、验证、监督、方法学、调查、形式分析、数据管理、概念化。
Kun Liu：写作-审稿与编辑、写作-初稿、可视化、验证、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。
Fen He：形式分析、数据管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金青年项目（32501203）、中药广东实验室的产业化项目（HQCML-B-2024003、HQL2024PZ008）、广东省科学技术厅（2514050003072）、广州中医药大学-医院联合基金项目（GZYFS2024G07, GZYFT2024G13）以及广州中医药大学基金会加强项目（GZY2025GB0712）的支持。
