《Acta Biomaterialia》：3D Printed Zinc Oxide-Tricalcium Phosphate Scaffolds with Quercetin for Bone Tissue Repair
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摘要成功的骨修复需要对成骨、破骨细胞活性和血管生成进行协调调控，然而大多数骨移植材料仅能解决其中一个或两个过程。本研究开发了3D打印的β-磷酸三钙支架，掺入氧化锌并负载槲皮素，旨在为修复临界大小骨缺损提供多功能平台。氧化锌掺杂可提高致密化和力学强度，而锌离子与槲皮素共同通过抑
摘要
成功的骨修复需要对成骨、破骨细胞活性和血管生成进行协调调控，然而大多数骨移植材料仅能解决其中一个或两个过程。本研究开发了3D打印的β-磷酸三钙支架，掺入氧化锌并负载槲皮素，旨在为修复临界大小骨缺损提供多功能平台。氧化锌掺杂可提高致密化和力学强度，而锌离子与槲皮素共同通过抑制破骨细胞活性和促进成骨及血管生成信号通路来调控骨重塑。体外研究表明，氧化锌-磷酸三钙-槲皮素复合支架显著降低了抗酒石酸酸性磷酸酶活性，上调成骨和血管生成基因，并保持细胞相容性。在大鼠股骨远端缺损模型中，与对照组相比，复合支架使骨形成增加约1.5倍，血管化程度增加约1.8倍。这些结果表明，锌离子与槲皮素的共递送可创造一种促进骨形成、限制骨吸收并支持血管长入的微环境。该方法提供了一种多功能陶瓷支架，能够协调复杂骨缺损中的骨形成、骨吸收和血管化过程。
意义声明
修复大型骨缺损需要对骨形成、血管化和骨吸收进行协调调控。大多数现有生物材料仅能解决其中一到两个过程。本研究开发了一种3D打印的掺锌并负载槲皮素的磷酸三钙支架，以同时靶向这些通路。锌可提高力学强度并支持成骨活性，而槲皮素可提供可控释放并调节细胞反应。该支架在降低破骨细胞活性的同时促进成骨细胞功能和内皮细胞行为。在大鼠模型中，该支架使新骨形成增加约1.5倍，血管化程度增加约1.8倍。本研究提出了一种多功能方法，用于设计更好地支持协调性骨再生的生物材料。
引言
由肿瘤切除、创伤或先天性疾病引起的临界大小骨缺损仍是主要的临床挑战[1]。全球每年进行超过220万例骨移植手术，且随着人口老龄化和复杂骨骼疾病发病率的上升，这一数字仍在持续增加[2]。自体骨移植和同种异体骨移植仍是骨修复的临床金标准；然而，其应用受到供区并发症、供应有限、免疫排斥风险及潜在疾病传播等因素的限制[3,4]。这些局限性推动了对能够支持骨再生的合成骨替代材料的广泛研究。
在合成生物材料中，磷酸钙陶瓷因其化学组成与骨矿物相似且具有良好的生物相容性而备受关注。羟基磷灰石具有高度稳定性和生物活性，但在体内吸收缓慢，可能限制长期重塑[6]。生物活性玻璃虽然成骨诱导作用强，但降解过快，且会产生局部pH波动，影响组织整合。聚己内酯、聚乳酸和聚乳酸-羟基乙酸共聚物等聚合物生物材料具有可调降解行为，但缺乏固有的骨传导性和力学强度，通常需要陶瓷相增强[5]。β-磷酸三钙是一种广泛研究的替代材料，因其具有骨传导性、良好的生物降解率和支撑矿化沉积及骨长入的能力[6,7]。此外，磷酸三钙支架可作为治疗分子的有效载体，这得益于其多孔结构和可控降解行为[8]。然而，尽管具有这些优势，磷酸三钙缺乏固有的骨诱导特性且力学强度有限，这限制了其在大型或承重骨缺损中的性能[9]。
骨再生是一个复杂的、受严格调控的过程，涉及成骨细胞介导的骨形成、破骨细胞驱动的骨吸收和内皮细胞介导的血管化之间的协调相互作用。然而，大多数生物材料支架主要聚焦于刺激成骨过程，而忽视了对破骨细胞活性和血管生成的同步调控，而这些过程对于骨重塑至关重要。实现这一目标的一种方法是引入天然调控骨代谢的微量元素[10]。锌是一种必需微量元素，据报道可刺激成骨细胞生长和分化，同时抑制破骨细胞活性并促进矿化[11,12]。将锌离子掺入磷酸三钙后，还可作为晶格修饰剂提高致密化程度、改善相稳定性并增加力学强度[13,14]。临床和营养学研究进一步证明锌在骨健康中的重要作用；例如，锌缺乏与骨生长受损相关[15,16]，且锌补充已被证明可防止饮食锌摄入不足绝经后妇女的骨丢失[17]。除无机掺杂剂外，生物活性植物化学物质作为骨再生的治疗剂也受到越来越多关注[18]。槲皮素是一种天然存在于水果和蔬菜中的黄酮类化合物，具有抗氧化、抗炎、抗菌和抗骨吸收特性[19,20]。多项临床前研究表明，槲皮素可增加骨质疏松模型中的骨密度并改善骨微结构[21]。尽管口服槲皮素在人体研究中显示对骨密度的改善有限，但骨转换标志物的升高表明其可能影响骨代谢[22]。在机制上，槲皮素可激活Wnt/β-catenin和BMP/Smad等信号通路，从而促进成骨细胞分化和基质矿化[23]。此外，负载槲皮素的羟基磷灰石支架已被证明可在骨质疏松条件下增强成骨和血管生成，同时抑制破骨细胞生成[24]。然而，槲皮素的临床转化受限于其溶解性差和全身生物利用度低[25]。利用支架进行局部递送是一种克服这些局限性的策略，可在缺损部位实现持续释放。
增材制造技术可制备具有可控架构和患者/缺损特异性几何形状的骨支架[26]。在这些技术中，粘结剂喷射3D打印技术可制备具有支持细胞渗透、血管化、组织整合和局部药物递送的孔隙网络的多孔支架。尽管掺锌磷酸三钙支架和基于槲皮素的治疗系统已各自显示出良好的生物学效果[13,27]，但将两者整合于单一的3D打印磷酸三钙支架中以同时调控成骨、破骨细胞活性和血管生成仍基本未被探索。在本研究中，我们通过将氧化锌掺入和槲皮素负载整合于粘结剂喷射打印的磷酸三钙中，开发了一种可同时调控骨重塑关键方面的多功能支架。我们假设锌离子与槲皮素的共递送可创造一种促进成骨、抑制破骨细胞活性并增强血管生成的微环境。为验证这一假设，我们制备了负载槲皮素的氧化锌掺入磷酸三钙支架，并通过结构表征、药物释放研究、体外生物学测定和大鼠股骨远端缺损体内模型对其进行了评估。
章节摘要
3D打印支架的制备与表征
通过固相合成法制备磷酸三钙粉末[28]。通过将0.25 wt.%氧化锌与磷酸三钙混合并进行2小时球磨制备氧化锌掺入磷酸三钙。氧化锌用量基于先前的优化选择，其中0.25 wt.%表现出最佳的力学和生物学性能[13]。
3D打印的圆盘厚度为2毫米、直径为10毫米，使用ExOne打印机（美国宾夕法尼亚州Irwin）制备。工艺参数总结于表S1中。打印后，支架
氧化锌掺入支架的制备与表征
图1a展示了粘结剂喷射工艺制备磷酸三钙支架的示意图。喂料斗中的粉末以薄层铺展在构建平台上，喷头选择性沉积液态粘结剂以定义每层的几何形状。我们打印了具有不同孔径和支撑直径的支架，包括实心（无孔）圆盘（图1b）以及具有设计400微米大孔和不同支撑厚度的圆盘（图1c、d）。对于大鼠股骨缺损模型，使用了较小的圆柱形
讨论
在本研究中，我们开发了一种负载槲皮素的多功能氧化锌掺入磷酸三钙支架，以同时调控成骨、破骨细胞活性和血管生成。结果表明，在支架中结合微量元素掺杂与植物化学物质可显著增强骨再生。掺入0.25 wt.%氧化锌使压缩强度提高了约33%。这一改善可能源于烧结过程中的晶格细化和致密化程度提高。锌离子的替代
结论
我们开发了3D打印的氧化锌-磷酸三钙支架并负载槲皮素，作为骨组织修复的多功能平台。掺入0.25 wt.%氧化锌使压缩强度提高了约33%，而槲皮素表现出pH响应性双相释放特征，在pH 5.0时的释放量高于pH 7.4时的释放量。体外研究表明，氧化锌-磷酸三钙-槲皮素支架使破骨细胞活性降低约70-80%，成骨细胞活力增加约2倍，碱性磷酸酶活性增强，并上调成骨和血管生成标志物。支架还改善了
作者贡献声明
Priya Kushram：形式分析、数据整理、方法论、撰写——初稿。Susmita Bose：概念构思、撰写——审稿与编辑、可视化、监督、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取。
伦理声明
本研究按照以下动物福利和/或报告指南进行：机构动物护理和使用委员会。本研究经华盛顿州立大学机构动物护理和使用委员会批准。（批准编号：ASAF 6613）
作者贡献声明
Priya Kushram：撰写——初稿、资源、调查、形式分析、数据整理。Susmita Bose：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。
Priya Kushram|Susmita Bose
