摘要

術后轉移性骨病的主要臨床問題是高死亡率和顯著的局部復發率。當從患者體內切除病變骨段后，這些骨段會留下無法自行修復的嚴重缺陷，因此需要通過植入支架來提供支撐。在這種情況下，多功能支架被視為一個合適的選擇，它們作為骨替代物具有巨大的潛力，并能限制術后腫瘤細胞的復發。這可以通過構建含有治療性化合物的多功能支架來實現，這些化合物有助于預防腫瘤復發并改善表面特性，從而促進骨生成。在本研究中，通過在3D打印的姜黃素浸漬聚乳酸（PLA）支架上涂覆胺功能化的二氧化鈦（TiO?）介孔生物活性玻璃（MBG）來制備這種多功能支架。研究了姜黃素對抑制骨肉瘤細胞生長的作用以及表面涂層對脂肪源性間充質干細胞（AD-MSCs）骨生成促進的效果。FESEM分析表明，該生物活性涂層在SBF處理的第一天就表現出體外生物活性。最重要的是，姜黃素的釋放顯示出對革蘭氏陽性菌（約90%）和革蘭氏陰性菌（約85%）的抗菌活性，并且對骨肉瘤細胞系具有細胞毒性（培養14天后觀察到約90%的細胞凋亡）。與PLA支架相比，摻雜了TiO?的MBG促進了骨生成分化，表現為鈣礦化（p < 0.0001）和堿性磷酸酶活性（p < 0.0001）的顯著增加，這歸因于其溫和釋放的活性氧物種，這些活性氧物種有助于抗氧化蛋白的產生，最終促進了早期和晚期骨生成標志物的上調。

引言

骨癌是僅次于白血病的年輕人中最主要的死亡原因。先前的研究表明，骨骼是癌癥轉移最常見的部位[1][2]。在惡性癌癥擴散到骨骼時，骨組織會受到嚴重的損傷，盡管一些腫瘤細胞通常仍然存在于骨組織附近。因此，設計一種既能阻止腫瘤生長又能促進骨缺陷再生的多功能平臺至關重要[3][4][5]。此外，即使經過手術和化療治療，許多患者仍會出現腫瘤復發，尤其是骨肉瘤，這導致生存率降低[6][7]。 盡管已有許多研究探索了用于結合骨再生和腫瘤治療的治療性多功能支架，但其臨床轉化和大規模應用仍然有限。金屬、陶瓷和可降解聚合物是三種主要的研究領域。在醫療保健設施中廣泛使用的可降解聚合物，包括聚乳酸（PLA）、聚羥基乙酸和聚（乳酸-羥基乙酸）共聚物，已被深入研究作為骨再生的潛在材料。然而，這些聚合物的局限性包括潤濕性、機械強度和非特異性異物反應，這些缺點嚴重限制了它們的臨床應用范圍，需要進一步開發才能得到廣泛應用[8][9]。其中，介孔生物活性玻璃（MBG）由于其高骨生成活性、調節基因的能力和可控的生物降解性而被廣泛用于骨再生研究[10]。特別是，MBG的高表面積和孔體積使其成為藥物、蛋白質和基因吸收的理想平臺，從而增強骨生成[11][12]。然而，MBG的過度生物降解性可能導致離子快速釋放和局部pH值波動，這可能對細胞活力產生負面影響，并損害支架的整體生物活性[13]。為了提高MBG的生理穩定性，已經開發了多種技術，如表面涂層和分子接枝。已知摻雜元素（如TiO?）具有抗炎作用，為術后提供了額外的保護[14]。此外，文獻中還明確指出TiO?在模擬骨傳導方面的作用及其通過分泌溫和的活性氧物種（ROS）促進骨生成和免疫調節的能力[15]。此外，Ti??摻入生物活性玻璃或聚合物基質中可以增強機械強度、表面反應性和磷灰石形成能力，從而與宿主骨組織形成牢固的界面結合。此外，TiO?還具有抗菌和光催化性能，有助于提高骨植入物的抗感染能力[15]。 MBG表面富含硅醇基團。在MBG上進行胺接枝可以通過減少反應性硅醇位點的數量、引入部分疏水性以及提供可質子化的胺基團來調節其降解行為。這些綜合效應減緩了溶解速率，穩定了離子釋放，并保持了有利的局部pH值，從而提高了細胞相容性和可控的生物降解性[16]。本研究使用可降解聚合物PLA進行制備。PLA的生物相容性和可降解性使其成為生物醫學應用的理想候選材料。然而，其較差的機械強度和疏水性限制了其在臨床應用中的全面使用[17][18]。值得注意的是，加入陶瓷可以增強PLA的機械性能，克服其疏水性，并促進植入支架的骨誘導和骨整合特性。總體而言，雖然聚合物提供了結構靈活性和可降解性，但往往缺乏生物活性。相比之下，MBG表現出優異的骨傳導性，但存在脆性和快速降解的問題。姜黃素具有強大的抗炎和抗癌性能，但其溶解性和穩定性較差。因此，將這些材料整合到單一復合支架中是一種有前景的方法，可以結合機械強度、生物活性和治療功能，以實現有效的骨再生和腫瘤抑制[19]。 在本研究中，我們選擇了溫和的治療藥物姜黃素，而不是像多柔比星（DOX）、紫杉醇（PTX）和順鉑（CDDP）這樣的強效藥物，因為后者可能會引起嚴重的全身毒性[20]。姜黃素是一種天然多酚，具有強大的骨生成、抗炎和抗氧化性能，在骨組織工程中得到了越來越多的應用。它能夠促進成骨細胞分化，調節炎癥反應，并抑制氧化應激，從而在摻入聚合物或生物活性玻璃基支架中促進骨再生[21]。姜黃素在水中的溶解度有限，限制了其使用。基于生物材料的給藥技術，如復合、3D打印、膠束和納米顆粒等，改善了藥物的緩釋動力學[22][23]。除了抗菌和抗炎性能外，眾多體外和體內研究還表明姜黃素對骨肉瘤細胞具有抗腫瘤作用，并闡明了其作用機制[24][25][26]。姜黃素通過多種機制導致骨癌細胞凋亡，包括抑制核因子-κβ（NF-κβ）和白細胞介素-6（IL-6）及IL-11的表達，下調基質金屬蛋白酶-9（MMP-9）和血管內皮生長因子，以及抑制細胞外信號調節激酶的表達[27][28]。 在本研究中，通過復合工藝將姜黃素摻入PLA基質中，制備出具有均勻微孔結構的3D打印支架。采用了一種新的表面功能化方法，即用水溶性交聯劑EDC–NHS將MBG修飾后的胺基團均勻涂覆在PLA支架上[29]。這一過程促進了PLA的羰基與修飾MBG的胺基之間的穩定酰胺鍵的形成，生成了附著良好的N-MBG（NM）和Ti摻雜的N-MBG（NMTi）涂層。所得支架表現出抗炎、抗菌和抗癌性能，同時支持脂肪源性間充質干細胞（AD-MSCs）的骨生成分化。總體而言，本研究強調了含姜黃素的PLA/NMTi支架在骨再生和通過持續釋放姜黃素預防術后腫瘤復發方面的潛力。

MBG（M）和摻雜TiO?的MBG（MT）的合成

MBG（記為“M”）的合成采用了我們之前工作中的相同方案[30]。摻雜了TiO?的MBG（MTi）是通過向制備好的溶膠凝膠中加入100毫克四異丙氧基鈦（TiOCH(CH?)?)?）粉末（97%，CDH，印度），然后在20°C下處理7天并進行煅燒來制備的。 $\mathrm{SiO}254+4<mn>H</mn><mn>2</mn><mn>O</mn>\to <mi>SiOH</mi>$ $\mathrm{Si}\left(\mathrm{OC}2\right)4+4<mn>H</mn><mn>2</mn><mi>O\to <mi>SiOH</mi></mi>$ $\mathrm{Ti}\left(\mathrm{CH}3\right)4+4<mn>H</mn><mn>2</mn><mi>O\to <mi>Si</mi></mi>$ $\mathrm{SiOH}+\mathrm{TiOH}\to \mathrm{Si}–O–\mathrm{Ti}+H$

胺功能化

MBG表面使用3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）（純度≥98%，Hi-media）進行了接枝處理

生物活性涂層NM和NMTi的物理化學表征

圖1(a)顯示了NM和NMTi粉末樣品的熱重分析（TGA）曲線，顯示出不同的熱降解步驟。NM的第一個降解步驟（約4%）和NMTi的第一個降解步驟（約11%）發生在112°C，這是由于物理吸附的水分和用于表面接枝的溶劑殘留物的蒸發。NM的第二個主要降解步驟發生在347°C，是由于接枝的胺基團和殘留的硅烷劑（APTES）的分解。

結論

本研究通過開發多功能3D打印支架，解決了骨肉瘤復發和術后骨缺陷修復的雙重挑戰。通過EDC–NHS策略用NM和NMTi涂層的姜黃素浸漬PLA支架表現出類似松質骨的機械性能和均勻的生物活性涂層。觀察到姜黃素摻入PLA基支架后具有增塑作用，提高了柔韌性和能量耗散能力。

手稿編號

CECRI/PESVC/Pubs/2025-101

CRediT作者貢獻聲明

舒巴姆·潘特（Shubham Pant）：撰寫——原始草稿、可視化、驗證、軟件、方法學、研究、數據分析、概念化。 斯拉萬蒂·洛加納森（Sravanthi Loganathan）：撰寫——審閱與編輯、驗證、監督、研究、資金獲取、數據分析、概念化。 拉維·巴布·瓦拉帕（Ravi Babu Valapa）：撰寫——審閱與編輯、驗證、監督、資源管理、項目管理、資金獲取、數據分析。

利益沖突聲明

支持本文的數據已包含在補充信息中。

致謝

舒巴姆·潘特先生衷心感謝新德里CSIR總部提供的CSIR-GATE高級研究獎學金。斯拉萬蒂·洛加納森博士感謝印度政府的科學技術部在DST INSPIRE計劃（授權號：DST/INSPIRE/04/2017/000704）下資助的這項研究項目。拉維·巴布·瓦拉帕博士衷心感謝CSIR-中央電化學研究所（CECRI）的“內部”項目計劃（授權號：IHP 0148）的支持。所有作者均表示感謝。