骨再生黑科技：3D 打印支架 + 会 “变魔术” 的纳米颗粒

来源：EFL生物3D打印与生物制造

当前骨再生面临的主要问题包括：自体骨移植存在供体部位并发症、来源有限且整合效果不一，异体骨移植有免疫原性、疾病传播风险及成骨诱导能力下降等缺陷，而合成生物材料支架虽具定制化结构与力学性能，但缺乏固有成骨诱导性，需添加生长因子或细胞，这又带来监管、安全及成本等难题，如可能引发异位骨形成和免疫并发症等。   

来自罗切斯特大学医学中心的Hani A. Awad教授团队开展了相关研究，他们开发出3D打印聚己内酯（PCL）支架，用于实现骨免疫调节性无定形磷酸钙-壳聚糖纳米颗粒（ACPC-NP）的时间控制释放。在体外实验中，ACPC-NP对成骨细胞、单核细胞和破骨细胞表现出浓度依赖性作用，在浓度高达500 μg/ml时，可刺激成骨作用、调节M2/M1巨噬细胞极化，并抑制破骨细胞成熟与活性。体内实验利用3D打印PCL支架实现ACPC-NP的时间控制释放，成功使大鼠临界尺寸桡骨缺损完全再生并恢复生物力学强度，而单纯PCL支架或负载磷酸钙微粒的支架则无法实现这种愈合效果。   

相关工作以“Dose-dependent osteoimmunomodulatory effects of amorphous calcium phosphate nanoparticles promote 3D-printed scaffold-mediated bone regeneration”为题发表在《Bioactive Materials》上。

图 1. ACPC-NP 的合成与表征。

1. 材料设计创新   
开发了无定形磷酸钙-壳聚糖纳米颗粒（ACPC-NP），通过壳聚糖稳定无定形磷酸钙（ACP）的非晶态结构，解决了传统ACP易结晶转化的缺陷，同时赋予其骨免疫调节功能。   将ACPC-NP与3D打印聚己内酯（PCL）支架结合，通过低温挤出3D打印技术实现纳米颗粒高负载（质量比超85%），显著提升支架表面粗糙度和表面积，促进细胞黏附与组织长入。   

2. 作用机制创新   
发现ACPC-NP具有剂量依赖性骨免疫调节效应：  
- 低浓度（≤50 μg/ml）：调节巨噬细胞向抗炎M2表型极化，促进早期免疫微环境修复；   
- 高浓度（500 μg/ml）：激活Wnt/Notch信号通路，加速成骨细胞分化与矿化，同时抑制破骨细胞成熟及骨吸收活性。   首次揭示ACPC-NP通过**钙离子释放**介导成骨与免疫调控，其作用独立于外源性生长因子或细胞，避免了生物制剂的监管与安全风险。   

3. 释放模式创新   
3D打印PCL支架实现ACPC-NP的时序性释放：初期（24小时内）爆发释放高浓度纳米颗粒（600-700 μg/ml）快速启动成骨与抗炎反应，随后持续释放30天以上，匹配骨再生的炎症-修复-重塑阶段性需求。   

4. 功能验证创新   
在大鼠临界尺寸桡骨缺损模型中，ACPC-NP@PCL支架实现完全骨再生与生物力学强度恢复，10周时新生骨强度超过天然骨，显著优于单纯PCL或磷酸钙（CaP）支架。   通过转录组学分析证实，支架通过激活Notch/Wnt信号通路及调控巨噬细胞-破骨细胞互作，协同促进软骨内成骨与骨重塑，为骨再生机制提供新理论依据。   
5. 临床转化潜力  
采用FDA批准材料（PCL与磷酸钙），无需添加生物制剂，可通过510(k)路径加速临床转化；3D打印技术支持个性化支架定制，适用于复杂骨缺损修复。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2025.05.010