黑磷/硅酸钙功能化三维层级支架：耦合光热治疗与离子微环境诱导矿化用于骨修复

《Materials Today Bio》：Black Phosphorus/Calcium Silicate-Functionalized 3D Hierarchical Scaffolds: Coupling Photothermal Therapy with Ion Microenvironment-Induced Mineralization for Bone Repair

　　

大尺寸骨缺损的修复仍是临床骨科领域的重大挑战，常因细菌感染和有限的自愈能力而复杂化。因此，开发能够同时预防感染并调控再生微环境的人工支架对于成功治疗至关重要。在此，研究人员通过结合静电纺丝和静电喷雾技术，设计了一种层级三维支架（CaSiO₃/PCL NFs+ BP@PCL MSs），该支架整合了硅酸钙（CaSiO₃）掺杂的聚己内酯（PCL）纳米纤维和黑磷（BP）封装的微球。该设计构建了具有双重光热-离子调控能力的仿生结构。在近红外（NIR）照射下，该支架表现出优异的光热转换性能，能快速消灭细菌，同时加速治疗性离子的释放，以建立促矿化微环境。进一步的体外和体内评估表明，该支架在促进细胞增殖、迁移和成骨分化的同时，具有出色的原位矿化能力。此外，植入的支架有效促进了缺损部位的血管化骨再生。这种协同光热治疗与优化离子微环境的策略，为骨组织工程应用提供了一种有前景的方法。

论文解读：黑磷/硅酸钙功能化三维层级支架用于骨修复

**研究背景与问题**

修复大尺寸骨缺损是临床骨科领域长期面临的重大挑战，常因细菌感染风险和骨组织有限的自愈能力而难以根治。自体骨移植虽被视为金标准，但受限于供区并发症、可获取量不足等问题。近年来，利用可降解生物活性支架（如水凝胶、纳米纤维支架等）调控局部微环境促进组织再生成为有前景的策略。电纺纳米纤维支架因其模拟天然细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）纳米纤维结构的能力而备受关注，但其传统制备方式通常产生致密的二维（2D）膜，孔隙连通性差，严重限制细胞浸润和营养交换。同时，构建有利的生物活性微环境对增强成骨至关重要，单一策略往往效果有限。近红外（NIR）光热治疗（Photothermal Therapy, PTT）可抗感染并刺激干细胞分化，但需精确控温避免热坏死。黑磷纳米片（BPNSs）具有优异的光热转换效率和可降解性，但在水氧环境中稳定性差；硅酸钙（CaSiO₃）作为生物活性陶瓷，能释放Ca²⁺和硅酸根离子促进成骨与血管生成，且表面硅羟基可作为羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）成核位点。因此，将BP与CaSiO₃整合于三维（3D）纳米纤维支架中，协同光热与离子调控功能，有望克服现有支架在结构仿生和功能协同上的不足。

**本研究内容与意义**

研究人员开发了一种层级三维纳米纤维支架（CaSiO₃/PCL NFs+BP@PCL MSs），通过结合静电纺丝与同轴静电喷雾技术，将CaSiO₃掺杂的聚己内酯（PCL）纳米纤维与BP封装的PCL微球组装为仿生结构。该支架在NIR照射下实现光热转换，杀灭细菌并调控离子释放（Ca²⁺、PO₄^3-、硅酸根相关物种），构建促矿化微环境。体外实验证明该平台显著促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的黏附、增殖、迁移和成骨分化；体内大鼠颅骨缺损模型证实其有效促进血管化骨再生。该研究提出的光热-离子双调控策略为骨组织工程支架设计提供了新思路，论文发表在《Materials Today Bio》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用交错静电纺丝与同轴静电喷雾技术制备支架：首先通过静电纺丝制备CaSiO₃/PCL纳米纤维层，再通过同轴静电喷雾将BP@PCL微球沉积于纤维间，交替循环6次电纺和5次电喷，形成厚度约239.5 μm的3D层级结构。使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）等进行理化表征。体内实验选用SD大鼠（雄性，200 g，购自安徽医科大学动物实验中心），建立直径5 mm的临界大小颅骨缺损模型，植入支架后每周进行一次NIR照射（808 nm，1 W/cm²，5分钟），共9次，通过micro-CT和组织学染色评估骨再生。

**研究结果**

3.1 静电纺纳米纤维、同轴电喷纳米球与BPNSs的制备与表征：SEM和TEM显示PCL纳米纤维直径约213.6 nm，CaSiO₃颗粒均匀分布；BP@PCL微球呈球形，直径约3.68 μm，具有核壳结构；BPNSs直径约4.1 nm，晶格条纹间距0.22 nm。EDS元素映射证实Ca、Si、P元素共定位。

3.2 CaSiO₃/PCL NFs+BP@PCL MSs支架的表征：结合电纺与电喷制得复合支架，SEM与AFM显示纤维网络均匀，截面无分层；微球使支架厚度增至约239.5 μm，比表面积增大。XPS检测到Ca、Si、P特征峰。接触角测试显示CaSiO₃掺入使表面由疏水（>126°）变为亲水（约6°）。力学测试显示抗拉强度从纯PCL的1.69 MPa增至3.53 MPa。

3.3 CaSiO₃/PCL NFs+BP@PCL MSs支架的光热性能：在808 nm NIR（1.0 W/cm²）照射下，含BP微球支架温度迅速升至42.5-45°C的温和成骨促进温区，且随BP层数增加而升高。5次开关循环后温度稳定，表明光热稳定性良好。模拟生物屏障实验（猪皮厚度1-6 mm）显示，即使隔6 mm皮肤，支架仍可升温至约30°C，提示可透过软组织激活。体内植入18天后仍可被有效加热，证实PCL封装延缓BP氧化。

3.4 CaSiO₃/PCL NFs+BP@PCL MSs支架的仿生矿化性能：Ca²⁺和PO₄^3-释放曲线显示，NIR照射增加离子累积释放，Ca²⁺早期快速后缓释，PO₄^3-呈缓释模式。在矿化液中培养14天后，CaSiO₃组形成致密矿化层；在无额外钙磷源的NaCl溶液中，仅含BP和CaSiO₃的支架在NIR照射下形成均匀矿物沉积。XRD证实沉积物为特征性HA相。Zeta电位从-4 mV降至-20 mV，pH基本稳定，表明降解过程稳定。

3.5 CaSiO₃/PCL NFs+BP@PCL MSs支架的体外抗菌活性：对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）检测显示，无NIR时含BP支架有中等抗菌活性（S. aureus抑制率66.9%），CaSiO₃组甚至促进细菌黏附。施加NIR后，含BP支架的S. aureus抑制率升至90.2%，E. coli抑制率91.4%，活/死染色显示大量死菌（红色荧光）。

3.6 CaSiO₃/PCL NFs+BP@PCL MSs支架的生物相容性：BMSCs活/死染色和细胞骨架染色显示，3D支架组细胞活力高、铺展良好；CaSiO₃组细胞密度最高，NIR照射进一步促进黏附。迁移实验（PDMS屏障）显示CaSiO₃和NIR促进细胞迁移。共聚焦显微镜显示3D微球支架使细胞向下渗透达深层，而2D纳米纤维仅限表面。

3.7 CaSiO₃/PCL NFs+BP@PCL MSs支架的体外成骨分化：碱性磷酸酶（ALP）染色和定量显示，CaSiO₃组ALP活性升高，NIR照射下CaSiO₃/PCL NFs+BP@PCL MSs组最高。茜素红S染色及定量表明，该组14天和21天钙结节最丰富。免疫荧光显示ALP、BMP-2、Col-1、OCN表达增强。qRT-PCR显示NIR组热休克蛋白HSP47和HSP70基因上调，成骨相关基因（ALP、BMP-2、OPN）表达显著升高。

3.8 CaSiO₃/PCL NFs+BP@PCL MSs支架的体内骨再生：大鼠颅骨缺损模型micro-CT成像及定量分析（BMD、BV/TV、Tb.Th）显示，4周和8周时，含CaSiO₃和BP+NIR的3D支架组新骨形成最多，骨桥接和缺损修复最明显。H&E和Masson染色显示支架逐渐降解，无坏死或严重炎症；含CaSiO₃组和NIR照射组出现骨陷窝和中央管样结构，CD31免疫组化显示血管化增强。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，该层级3D支架通过微球隔离纳米纤维层，增大了孔隙和比表面积，促进了细胞浸润和营养物质传输。CaSiO₃赋予的亲水性和离子释放（Ca²⁺、硅酸根）协同BP@PCL微球在NIR调控下的PO₄^3-释放，构建了过饱和钙磷微环境，诱导HA原位矿化。温和光热（42-45°C）不仅杀灭细菌，还通过上调HSP47/HSP70激活成骨信号通路，进一步促进BMSCs成骨分化。体内结果表明，该支架在临界尺寸颅骨缺损中有效促进血管化骨再生，未引起明显炎症或坏死。

结论部分翻译如下：总之，研究人员通过结合静电纺丝和同轴静电喷雾技术，成功开发了一种具有光热活性和离子调控矿化能力的层级三维纳米纤维支架。在该支架中，CaSiO₃/PCL纳米纤维提供了结构支持和成骨诱导基质，而BP@PCL微球同时作为光热组件和可控磷酸盐来源。在NIR照射下，该支架表现出有效的抗菌活性，并促进了Ca²⁺、PO₄^3-和硅酸根相关物种的调控释放，从而为BMSCs增殖、成骨分化和仿生矿化建立了有利的微环境。体内结果进一步表明，该多功能支架增强了颅骨缺损模型中的血管化骨再生。因此，CaSiO₃/PCL NFs+BP@PCL MSs支架可作为非负重或低负重骨缺损（如颅面骨缺损、牙槽嵴保存、牙周骨缺损）的局部植入再生材料。这种膜样支架主要设计用于维持早期三维结构支撑、调控局部离子微环境并提供NIR响应抗菌活性，从而支持血管化骨再生。该光热-离子双重调控策略为未来骨组织工程中生物活性支架的设计提供了有用的参考。