创伤性骨损伤手术治疗后的骨出血、感染和大骨缺损等问题仍然具有挑战性。因此，迫切需要开发能够有效解决创伤性骨再生的多功能治疗平台。3D 打印支架可促进骨和免疫细胞的浸润和增殖/分化，从而加速骨再生。但大多数用于 3D 打印的骨科植入物材料与干细胞的亲和力较低，生物降解性较慢，免疫调节活性较低，成骨速度慢。而石墨氮化碳 (g-CN) 是一种半导体纳米材料，具有可调节的表面和光学性质、密度低、稳定性高。因此，其与水凝胶结合并进行3D 打印可能会为骨组织领域的治疗提供一个具有潜力的方案。
本文开发了一种高度氧化的二维（2D）石墨氮化碳（Ox-gCN）作为纳米光催化剂，用来增强基于藻酸盐/明胶（ALG）的水凝胶支架（ALG/CN），以实现抗炎和具有卓越止血能力的免疫调节，并用于创伤性骨损伤修复。
图1.3D 打印光催化纳米/生物复合材料支架的表征。
纯 g-CN 呈现出自组装纳米片的堆叠层。而Ox-gCN 是更稳定的小颗粒，有较高的电负性，在水介质中能形成更多的氢键，分散更稳定。随着 Ox-gCN 的浓度的增加，纳米复合材料呈现出波状至片状的形态。配制的水凝胶油墨由于 2D Ox-gCN 纳米颗粒的增强而使得其机械强度得到提高（图1）。
图2.所开发的纳米生物复合水凝胶墨水的流变学研究。
使用旋转流变仪在 25°C 下不同振幅和频率扫描下评估所制造的纳米/生物复合材料墨水的粘弹性和剪切稀化行为。结果表明，所制造的水凝胶表现出优异的剪切稀化行为和应力屈服特性，这可能有利于仿生结构的 3D 打印（图2）。
图3. hBMSCs 的体外生物相容性和成骨分化潜力。
为了评估 hBMSC 在制造的水凝胶存在下的体外生物相容性和形态，使用了活/死染色、WST-8、F-肌动蛋白和 H&E 染色测定。实验表明，hBMSC 与水凝胶链良好粘附，在水凝胶支架存在下，细胞活力高于对照组，且ALG/CN-1%制剂对hBMSCs无毒。 hBMSC 在仿生微型骨模型上的强劲生长和活力也证实了 Ox-gCN 增强水凝胶的生物相容性（图3）。
图4.ALG/CN支架和光照射对体外巨噬细胞的影响。
使用 WST-8 测定法研究 RAW 264.7 细胞在 ALG/CN 支架存在下的活力和生物活性，并在孵育 24 小时后筛选炎症蛋白和基因标记。ALG/CN-1% 表现出最佳的细胞活力，强调了 ALG/CN-1% 是最具生物相容性的支架（图4）。
图5.ALG/CN支架的体外光催化抗菌性能评价。
为了研究含 Ox-gCN 支架根除细菌生物膜的潜力，对其可见光驱动光催化性能进行了评估。实验中，ALG/CN-1%支架的光催化活性在中和细菌和减弱生物膜形成方面表现出显着的功效（图5）。
图6.支架的体外止血性能。
通过测量凝血时间、凝血指数 (BCI) 和红细胞附着测定来评估了 ALG 和 Alg/CN-1% 支架的止血特性。结果表明，所制造的ALG/CN水凝胶支架通过激活血小板、增加红细胞的吸收率和增强凝血酶/纤维蛋白复合物的形成而具有巨大的止血潜力，这对于创伤性骨再生特别有益。其生物相容性好，适合用作体内骨再生研究的可植入生物材料（图6）。
图7.植入5周后纳米复合材料支架的体内骨再生研究。
鉴于支架与 hBMSC 和 RAW 264.7 细胞优异的生物相容性，又研究了其在骨再生中的作用。ALG/CN-1% 组在术后 5 周显示出显著的新骨形成且纤维组织最少。ALG 和 ALG/CN-1% 组中促炎标记物的表达显着降低也突出显示了组织-制造的光催化支架的愈合潜力（图7）。
图8.基于 ALG/CN 的光催化支架增强抗菌和骨免疫调节功能的机制示意图。
基于ALG/CN的纳米光催化3D打印支架用于抗菌和免疫调节骨再生的机制在示意图中被完整呈现 （图8）。
研究证明了采用具有仿生特性的氧掺杂二维碳氮化物增强的 3D 打印水凝胶墨水在体外和体内多功能骨再生中的应用。制造的纳米/生物复合支架对细胞具有生物活性且无毒，并提供了理想的粘附、增殖和分化平台。3D打印的ALG/CN支架的可见光响应性和自催化特性被用来研究生物膜减少功效。此外，富氧3D打印的ALG/CN-1%支架通过在体外上调成骨细胞特异性转录因子来增强hBMSC的增殖、迁移、矿化结节形成和成骨。ALG/CN-1% 支架在大鼠颅骨缺损模型中表现出非凡的骨再生潜力。总之，本文制备了一种自催化富氧3D打印支架，具有理想的骨免疫调节和止血特性，为改善临床环境中的创伤性骨损伤提供了广阔的前景。
近期，该研究成果以“Tailoring Osteoimmunity and Hemostasis Using 3D-Printed Nano-Photocatalytic Bactericidal Scaffold for Augmented Bone Regeneration”为题发表于学术期刊《Biomaterials 》，论文第一作者为Sayan Deb Dutta，通讯作者为江原国立大学Ki-Taek Lim。
撰稿人：邹开凤
审稿人：刘彦庆
论文全文链接
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122991
抗菌抗污材料前沿
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