《Chemical Engineering Journal Advances》：3D printed biomimetic nanocomposite scaffold with potential osteo-neurogenic differentiation of mesenchymal stem cells for bone repair
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本研究致力于解決大尺寸骨缺損修復中，同時促進骨再生與相關神經再生的難題。研究人員受天然骨結構和功能的啟發，通過3D打印技術，成功構建了一種分區仿生納米復合支架，其中心多孔區負載天然來源的羥基磷灰石（HA）以促進骨重建，外圍致密區負載氧化石墨烯錨定超順磁性氧化鐵納米顆粒（GO@SPION）以增強力學性能并誘導神經發生。體外實驗證明，該支架具有優異的細胞相容性，并能有效促進脂肪來源間充質干細胞（AdMSCs）的成骨與成神經分化，為骨組織工程提供了兼具結構和功能仿生的新策略。
骨骼是人體內結構精妙、功能復雜的器官，具有強大的自我修復能力。然而，面對車禍、嚴重外傷或腫瘤切除造成的大塊、臨界尺寸骨缺損，骨骼的自愈能力就捉襟見肘了。當前，自體骨移植和異體骨移植雖是臨床“金標準”，但存在供體部位損傷、來源有限、免疫排斥和疾病傳播等固有風險。骨組織工程，即利用人工設計的支架、細胞和生物活性因子來重建骨組織，是解決這一難題的充滿前景的方向。
天然骨并非均質結構，它由外層的致密骨（皮質骨）和內層的多孔骨（松質骨）構成。皮質骨孔隙率低（5-10%），提供主要的力學支撐；而松質骨孔隙率高（50-90%），是80%骨重塑過程發生的場所。真正的骨修復，不僅是重建骨本身，還需修復骨骼內部哈弗斯管中的神經等關聯組織。然而，現有的骨組織工程支架大多結構單一，難以同時模擬天然骨的分區結構和雙重功能（成骨與成神經），這成為骨修復領域長期面臨的挑戰。
受此啟發，一項發表在《Chemical Engineering Journal Advances》上的研究，報道了一種創新的3D打印仿生納米復合支架。該研究旨在模仿天然骨，構建一種具有“內松外密”分區結構的支架：中間多孔區模擬松質骨，負載促骨生成的天然羥基磷灰石（HA）；外圍致密區模擬皮質骨，負載氧化石墨烯錨定的超順磁性氧化鐵納米顆粒（GO@SPION），以增強力學性能并誘導神經發生。研究人員期望通過這種“結構-功能”雙重仿生的設計，為復雜骨缺損的完全修復提供一體化解決方案。
為開展這項研究，作者團隊運用了幾個關鍵技術方法。首先，他們采用化學共沉淀法和改良Hummers法分別合成了超順磁性氧化鐵納米顆粒（SPION）和氧化石墨烯（GO），并將兩者復合得到GO@SPION。其次，從伊朗組織產品公司獲得的脫細胞同種異體骨塊粉末中，通過煅燒提取了天然來源的羥基磷灰石（HA）。接著，利用溶劑澆鑄法制備了PCL/HA和PCL/GO@SPION復合薄片作為打印“墨水”。最后，通過配備雙噴頭的擠出式3D打印系統，精確制造了具有不同孔隙率分區的圓柱形復合支架，其中內層為PCL/HA，外層為PCL/GO@SPION。所有體外細胞實驗均使用從伊朗巴斯德研究所獲取的脂肪來源間充質干細胞（AdMSCs）進行。
研究結果：
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材料與支架表征成功：FESEM、XRD、FTIR、VSM等表征證實成功合成了GO、SPION、GO@SPION和天然HA，且GO@SPION具有超順磁性。打印出的支架結構規整，內、外層孔徑分別約為683±47 μm和375±45 μm，與設計相符，且元素（Ca, P, Fe）分布均勻。
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理化性能顯著改善：接觸角測試表明，添加HA和GO@SPION后，支架從疏水性變為親水性，有利于細胞黏附。壓縮測試顯示，PCL/HA/GO@SPION支架的楊氏模量（約19 MPa）顯著高于純PCL支架（約14 MPa），GO@SPION的加入有效增強了外圍區的力學性能。
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細胞相容性與形態良好：MTT實驗表明所有支架細胞存活率均高于99%，無細胞毒性。FESEM和DAPI染色顯示，AdMSCs在PCL/HA/GO@SPION支架上黏附、伸展和增殖狀態更佳，細胞呈紡錘形并伸出片狀偽足和絲狀偽足。
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成骨分化能力驗證：堿性磷酸酶（ALP）活性和茜素紅S（ARS）染色結果顯示，含HA的支架組（PCL/HA和PCL/HA/GO@SPION）在成骨早期和晚期的分化標志物表達均顯著高于純PCL組。實時定量PCR（RT-PCR）進一步證實，這兩個支架組中成骨相關基因（RUNX2、COL1、ON）的表達顯著上調。
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成神經分化能力證實：RT-PCR結果顯示，PCL/HA/GO@SPION支架上AdMSCs的神經標志物基因（Nestin、MAP2、GFAP）表達水平顯著高于其他組，表明GO@SPION的引入成功誘導了神經向分化。
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蛋白水平雙重驗證：免疫熒光染色結果在蛋白水平上再次確認，AdMSCs在PCL/HA/GO@SPION支架上高表達了成骨標記蛋白（COL1和OC）以及神經標記蛋白（Nestin和MAP2）。
研究結論與意義：
本研究成功設計并制備了一種具有“內松外密”分區結構的3D打印仿生納米復合支架。該支架通過模擬天然骨的解剖結構，將促骨生成的天然HA整合于多孔的中心區，將兼具力學增強和磁誘導神經分化功能的GO@SPION納米復合物整合于致密的外周區，實現了結構和功能的雙重仿生。
研究結果表明，該PCL/HA/GO@SPION支架不僅具有良好的生物相容性、適宜的親水性和增強的力學性能，更重要的是，它能夠在不添加外源生長因子的情況下，有效促進間充質干細胞的雙向分化：HA主導的成骨分化和GO@SPION誘導的成神經分化。這種雙重誘導能力通過ALP活性、礦化結節染色、RT-PCR基因表達以及免疫熒光蛋白表達等多個層面得到了充分驗證。
這項工作的重大意義在于，它跳出了傳統骨支架僅聚焦于骨再生的單一思路，率先將“骨-神經”協同再生的理念融入支架設計之中。通過精妙的材料選擇和3D打印的空間構造，將生物活性線索（HA）和力學-磁學線索（GO@SPION）精準定位，為細胞創造了仿生且高效的微環境。這為修復伴有神經損傷的復雜骨缺損提供了一種全新的、一體化的組織工程策略，是向構建真正“智能”和“功能化”植入物邁出的重要一步，在未來的骨科生物材料開發和臨床轉化中具有廣闊的應用前景。
