第一作者：Kai Chen，Fang Wang
通讯作者：吴国民
通讯单位：吉林大学
研究速览
在临床上，感染性骨缺损是一个重大威胁，导致骨坏死，严重影响患者预后，并延长住院时间。因此，迫切需要开发一种结合广谱抗菌功效和骨诱导特性的骨移植替代品，为感染性骨缺损提供有效的治疗选择。在这项研究中，利用数字光处理（DLP）3D打印技术的精度构建了一个支架，将氧化锌纳米颗粒（ZnO-NPs）改性钛酸钡（BT）与羟基磷灰石（HA）相结合，从而产生了一种压电陶瓷支架，用于修复感染的骨缺损。结果表明，ZnO-NPs的添加显着改善了BT的压电性能，促进了陶瓷支架系统内更高的HA含量，这对骨再生至关重要。体外抗菌评估突出了支架的强大抗菌能力。此外，结合低强度脉冲超声（LIPUS）和压电的协同作用，结果表明支架促进了显着的成骨和血管生成潜力，促进了骨骼生长和修复。此外，转录组学分析结果表明，早期生长反应-1（EGR1）基因可能在此过程中至关重要。本研究介绍了一种构建压电陶瓷支架的新方法，在LIPUS的联合影响下表现出优异的成骨、血管生成和抗菌特性，为感染性骨缺损提供了一种有前途的治疗策略。
要点分析
要点一：陶瓷样品的构造与表征。ZnO@BT/HA陶瓷样品比其他两组更具亲水性，更有利于细胞粘附并且其压电性能更强，表明ZnO@BT/HA陶瓷支架在需要类似于生物组织的压电特性的应用中的潜力。
要点二：体外抗菌实验。ZnO-NPs通过破坏膜、释放锌离子和产生细胞内活性氧（ROS）有效抑制细菌生长，ZnO-NPs对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有较强的抑制作用。
要点三：体外生物安全。最佳浓度的ZnO-NPs可以促进细胞增殖，并且在ZnO@BT/HA组中观察到细胞死亡率的显著降低。ZnO修饰的陶瓷体系促进细胞成熟而没有细胞毒性。
要点四：体内抗菌、成骨和血管生成特性。ZnO掺杂压电陶瓷支架在体内具有有效的抗菌活性。ZnO-NPs的掺入显著增强了血管生成和成骨潜能，促进DPSCs的成骨分化，并在感染颅骨缺损模型中有效刺激骨再生。
图文导读
图1：不同群体压电陶瓷样品的表征。A: 3D打印压电陶瓷的制备工艺简单。B: 3D打印陶瓷支架全景图。C: 3D打印陶瓷样品的SEM图像。D: 3D打印陶瓷样品的EDS映射。E: 3D打印陶瓷样品的EDX映射。F: 3D打印陶瓷样品的XRD图谱。G: 3D打印压电陶瓷试件在某一时刻的水接触角。H: 3D打印压电陶瓷试件的形貌、振幅和相位。I: 3D打印压电陶瓷样品在1 kHZ频率下的相对介电(εr)。J: 3D打印压电陶瓷的d33。
图2：不同组型压电陶瓷样品的体外抗菌性能。A：陶瓷样品的抗菌实验过程。B: 3D打印陶瓷样品的板数结果。C: 3D打印陶瓷样品CFU的定量结果。D: 3D打印陶瓷样品的活菌/死菌染色，绿色代表活菌，红色代表死菌。E: 3D打印陶瓷样品的死菌定量比例。F: 3D打印压电陶瓷样品的细菌形态扫描。G：金黄色葡萄球菌与3D打印简单陶瓷共培养后的生长曲线。H：大肠杆菌与3D打印陶瓷样品共培养后的生长曲线。
图3：不同类型压电陶瓷样品的体外生物安全性研究。A: 陶瓷样品的体外生物安全性试验过程。B: 3D打印陶瓷样品CCK-8检测结果。C: 3D打印陶瓷样品的活/死细胞染色，绿色代表活细胞，红色代表死细胞。D: 3D打印陶瓷样品的死细胞定量比例。E：与不同组陶瓷样品共培养3 d后DPSCs的F-actin和细胞核结果，绿色代表F-actin，蓝色代表死核。F：碳氮比定量结果。
图4：不同组压电陶瓷样品的体外成骨性能。A：陶瓷样品体外成骨性能测试的过程。B：不同组陶瓷样品共培养7天后DPSCs的ALP染色结果。C: ALP染色试验后不同组陶瓷样品收获的洗脱液的颜色比较。D：对不同组陶瓷样品进行ALP染色后的洗脱液进行定量分析。E: DPSCs与不同组陶瓷样品共培养7天后的免疫荧光染色结果（红色为OPN，绿色为OCN，蓝色为细胞核）。F：不同组陶瓷样品免疫荧光染色定量分析结果。
图5：不同类别压电陶瓷样品的体外血管生成性能A：陶瓷样品体外血管生成性能测试的过程。B：不同组陶瓷样品中DPSCs的细胞划痕实验结果。C：定量分析不同组陶瓷样品在不同时间点的创面愈合率结果。D：对不同组陶瓷样品进行ALP染色后的洗脱液进行定量分析。D: DPSCs与不同组陶瓷样品共培养7天后的免疫荧光染色结果（红色为VEGF，绿色为HIF-1α，蓝色为细胞核）。E：不同组陶瓷样品免疫荧光染色定量分析结果。图6：成骨转录组学分析的结果A：成骨转录组学分析的过程。B: LP-ZnO@BT/HA组与对照组差异基因火山图。C: LP-ZnO@BT/HA组与对照组差异基因热图。D: LP-ZnO@BT/HA组与对照组部分成骨差异基因热图。E：所有差异基因的KEGG富集。F: KEGG表达的上调和下调基因（蓝色表示下调，红色表示上调）。G：部分通过GSEA富集分析与成骨相关的信号通路。
图7：体内成骨和血管生成的免疫荧光染色结果。A：不同陶瓷支架组中TGF-β和ANG-1蛋白的表达（红色为TGF-β，绿色为ANG-1，蓝色为细胞核）。B：不同陶瓷支架组中TGF-β、ANG-1蛋白表达的定量分析。C: VEGF和HIF-1α蛋白在不同陶瓷支架组中的表达（红色为VEGF，绿色为HIF-1α，蓝色为细胞核）。D：不同陶瓷支架组血管内皮生长因子和HIF-1α蛋白表达的定量分析。E：不同陶瓷支架组Runx2和COL1蛋白表达情况（红色为Runx2，绿色为COL1，蓝色为细胞核）。F：不同陶瓷支架组中Runx2和COL1蛋白表达的定量分析。G：不同陶瓷支架组中OPN和OCN蛋白表达情况（红色为OPN，绿色为OCN，蓝色为细胞核）。H：不同陶瓷支架组中OPN和OCN蛋白表达的定量分析。
结论
本研究利用DLP 3D打印技术制备了ZnO改性BT/HA压电陶瓷支架，用于修复感染骨缺损。首先，ZnO改性BT的压电性能得到增强，促进了支架中HA含量的增加。
其次，支架在体外表现出明显的抗菌效果。此外，结合LIPUS和压电效应，支架表现出优越的成骨能力。因此，多功能骨组织工程陶瓷支架的开发对于复杂组织缺损的修复具有广阔的潜力。
全文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X24004997?via%3Dihub
参考文献:
Kai Chen，Fang Wang，Xiumei Sun，Wenwei Ge，Mingjun Zhang，Lin Wang，Haoyu Zheng，Shikang Zheng，Haoyu Tang，Zhengjie Zhou，Guomin Wu. Bioactive Materials 45 (2025) 479–495. DOI:10.1016/j.bioactmat.2024.11.015
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