黑磷-铕纳米片集成TPMS仿生支架通过光控离子释放实现大段骨缺损中神经-血管-骨顺序再生

《Advanced Science》：Sequential Regulation of Neurovascular Bone Regeneration in Large Bone Defects Using Black Phosphorus-Europium Nanosheet Integrated TPMS Biomimetic Scaffold with Photo-Controlled Ion Release

　　

钛合金支架（Ti–6Al–4V）广泛用于骨缺损修复。然而，常规钛基植入物缺乏可促进局部神经与血管协调再生的定制化功能表面界面，从而限制骨再生与长期稳定性。为此，研究人员利用拓扑优化的三周期极小曲面（triple-periodic minimal surface, TPMS）多孔钛（Ti）支架，通过聚多巴胺（polydopamine, PDA）表面工程将铕离子（Eu3+）配位的黑磷（black phosphorus, BP）纳米片稳定固载于表面，构建Ti–PDA@(BP+Eu)（TPBE）支架，该支架具有光热-离子协同释放功能，可协调早期神经血管重建与后续骨再生。体外研究表明，在周期性近红外（near-infrared, NIR）照射下，TPBE支架可按需释放Eu3+/磷酸根（PO43?），促进神经、血管及成骨细胞的黏附、迁移、分化与基因表达；进一步通过激活PI3K/Akt通路增强大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞（PC12）神经突生长与轴突再生。体内大段骨缺损模型显示，TPBE支架联合温和光热治疗可提高神经血管网络密度，上调成骨-神经-血管偶联因子，从而加速骨再生。该研究为可诱导神经、血管、骨组织级联再生的钛基植入材料制备提供了创新方法，为多组织再生生物材料研究奠定基础。

研究背景方面，大段骨缺损（large-segment bone defects）可由创伤、感染、骨病及手术切除引起，全球每年近1500万例骨损伤给医疗系统带来持续压力。自体与异体骨移植虽孔隙率和力学匹配较好，但受供区不足、手术并发症、免疫排斥及感染风险限制。基于三周期极小曲面（TPMS）拓扑优化的多孔钛合金（Ti–6Al–4V）支架可模拟骨小梁力学并促进细胞迁移与物质传输，但骨骼再生是神经、血管与成骨活动高度协调的过程，早期充分神经血管化可改善局部微环境并通过神经-骨互作直接调控成骨，而TPMS多孔钛支架普遍缺乏可诱导神经与血管再生的生物活性表面界面，限制植入后再生效率与宿主长期整合。因此，除优化支架拓扑和成骨能力外，在承重植入物中引入可主动促进早期神经与血管协调再生的功能界面，是大型骨缺损修复材料设计的关键。

研究人员以电子束熔融（electron beam melting, EBM）制备TPMS多孔钛支架，利用聚多巴胺（PDA）仿生黏附涂层将P–Eu配位修饰的黑磷纳米片（BPNSs）固载，形成光响应Ti–PDA@(BP+Eu)（TPBE）支架，实现Eu³⁺/PO₄^3?的顺序化、光热调控释放，以早期促神经血管网形成、后续促成骨分化，加速神经-血管-骨网络重建。该研究发表于《Advanced Science》。

主要关键技术方法方面，研究人员采用EBM制备壁厚0.5 mm、孔径600 μm、孔隙率60%的TPMS钛支架；以液相剥离制BP纳米片，经Eu(NO₃)₃配位与PDA原位聚合得PDA@(BP+Eu)；通过PDA涂层将纳米片固载成TPBE支架。体外用大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）、人脐静脉内皮细胞（HUVECs）、PC12及小鼠背根神经节（DRG）神经元评估生物相容性、神经发生、血管发生与成骨；转录组测序与PI3K抑制剂（LY294002）干预解析机制。体内用45只6–8周雄性新西兰白兔建立双侧股骨髁圆柱形骨缺损（直径6 mm、深10 mm），分纯钛（T）、TPBE、TPBE+NIR组，术后每5天808 nm激光（1.0 W/cm²，10 min，40–42°C）照射，于2、4、8、12周通过Micro-CT、血管灌注、硬组织切片及免疫荧光评价神经-血管-骨整合与生物安全性。

研究结果方面，3.1 制备与表征BPNSs和PDA@(BP+Eu)纳米片：通过SEM、TEM、AFM、拉曼、Zeta电位、UV–vis及光热曲线证实BPNSs为少层薄片，Eu配位使Zeta电位由–21.58 mV升至–2.86 mV，PDA包覆后调至–8.66 mV；Eu:BP 8:1达饱和负载；PDA@(BP+Eu)具更强NIR吸收、5次循环光热稳定、28天水相氧化最慢，说明Eu³⁺配位钝化与PDA包覆协同提升光热效率与化学稳定性。

3.2 TPBE支架制备与表征：压缩强度396.23 MPa、弹性模量5.24 GPa，匹配骨力学；SEM/EDS/XPS证实P、N、Eu均匀分布于表面，XPS显示部分Eu³⁺被BPNSs还原为Eu²⁺以增强Eu–P配位；TPBE经NIR 5 min达41.90°C，5循环光热稳定；灭菌加5次光热循环后涂层不脱落、拉曼无显著氧化。ICP-OES显示TPBE+NIR组32天累积释Eu³⁺ 43.37 μg、PO₄^3? 8.11 μg，高于非光照组，证明NIR可光热调控离子释放。

3.3 各组支架体外细胞相容性：CCK-8与活死染色显示50 μg/mL BPNSs安全，TPBE及TPBE+NIR促进rBMSCs、HUVECs、PC12增殖，活细胞最多；ROS检测无显著氧化损伤；F-actin与vinculin免疫荧光显示TPBE+NIR组细胞铺展最广、黏着斑成熟，说明支架尤其联合NIR具优良生物相容性。

3.4 各组支架对PC12体外神经发生影响：划痕实验示TPBE+NIR促PC12迁移与轴突生长最强；RT-qPCR上调Tuj1、MAP2、CGRP，下调Nestin、GFAP；Western blot与免疫荧光证MAP2、CGRP增强；小鼠DRG神经元Tuj1、NeuN信号增强，表明NIR触发Eu³⁺/PO₄^3?释放与温和热效应促成熟神经元分化，为神经-骨偶联奠基。

3.5 转录组揭示PI3K/Akt机制：PC12与TPBE+NIR vs T转录组获1443个差异基因，GO/KEGG富集于细胞外基质、钙稳态、神经发育及PI3K-Akt/MAPK/钙信号；加LY294002后p-Akt与MAP2下降，而p-PI3K未同步降，证TPBE+NIR的神经分化与神经突形成依赖PI3K/Akt通路激活。

3.6 各组支架对HUVECs体外血管发生影响：Transwell与划痕示TPBE+NIR募内皮细胞与迁移最强；Matrigel成管网络最成熟；qPCR、Western blot及免疫荧光示VEGFA、CD31、HIF-1α上调，表明光热触发Eu³⁺释放联合局部热微环境通过HIF-1α/VEGFA/CD31轴促血管网构建。

3.7 各组支架对rBMSCs体外成骨分化影响：ALP与茜素红染色示TPBE+NIR矿化最强；qPCR与Western blot上调BMP2、OPN、OCN、COL1A1；PO₄^3?与Ca²⁺促羟基磷灰石沉积，Eu³⁺促成骨，证支架联合NIR具最强成骨活性。

讨论与结论翻译部分，研究人员讨论指出，TPMS钛支架虽具仿生力学但缺神经血管活性界面；PDA@(BP+Eu)通过Eu³⁺配位钝化与PDA屏蔽克服BPNSs易氧化缺点，EBM+PDA界面工程实现纳米片稳定固载与NIR可控离子释放。体外证早期神经血管诱导依赖PI3K/Akt与HIF-1α/VEGFA/CD31，体内兔大段缺损证神经血管密度与成骨-神经-血管偶联因子提升、骨体积与骨-植入物接触增加。结论为：研究人员提出基于PDA界面工程的Ti–PDA@(BP+Eu)光响应支架，可在周期性NIR下顺序释放Eu³⁺/PO₄^3?，早期促神经血管网络形成，后续促成骨，激活PI3K/Akt等通路，体内加速大段骨缺损再生；该工作为承重钛基植入物与多组织再生生物材料设计提供了可光控离子释放的级联再生平台。