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骨折不愈合是骨科难题，为解决此问题，研究人员开展 3D 打印聚己内酯（PCL）支架功能化研究，将其与聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物（PLGA）微粒子共价结合，实现 rhBMP-2 局部递送。结果显示该支架可促进骨再生，降低副作用风险，为治疗骨折不愈合提供新方案。
在骨科领域，骨折不愈合一直是个令人头疼的问题。每年大量的骨移植手术中，有 5 - 10% 会出现愈合障碍，其中就包括骨折不愈合。这不仅给患者带来慢性疼痛、残疾和心理压力，还加重了医疗系统的经济负担。目前，治疗关键尺寸骨缺损的方法主要有自体移植和异体移植。自体移植虽被视为 “黄金标准”，因其具有出色的骨诱导和骨生成潜力，但健康供体部位有限，限制了其广泛应用；而异体移植虽然来源相对充足，却因缺乏存在于骨膜（围绕在骨表面的一层薄的血管化组织，对骨发育和骨折愈合至关重要）中的多能间充质干细胞，效果不尽如人意。此外，传统使用骨形态发生蛋白（rhBMP - 2）治疗时，由于其不可预测的释放曲线和体内快速清除，需要高剂量使用，这又增加了异位骨形成和长期骨吸收等副作用的风险。为了攻克这些难题，来自国外的研究人员展开了深入研究。他们致力于开发一种能模拟骨膜结构和功能的仿生支架，期望能有效促进骨再生，同时减少副作用。最终，他们成功制备出一种可定制的 3D 打印聚己内酯（PCL）支架，并通过共价结合聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物（PLGA）微粒子进行功能化，实现了 rhBMP - 2 的原位递送。研究表明，这种支架在体外具有显著的成骨和骨诱导潜力，能够促进骨膜来源的间充质祖细胞分化为成骨细胞；在体内实验中，使用临界尺寸缺损模型进行测试，也展现出良好的治疗效果，且所需的 rhBMP - 2 净剂量更低。该研究成果发表在《Acta Biomaterialia》，为骨折不愈合及其他复杂骨缺损的治疗带来了新的希望。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：采用全循环一体机系统（TROMS）的多重乳液溶剂蒸发法制备 PEG 化和羧基化的 PLGA 微粒子（PLGA - PEG - COOH MPs）；使用 3D 熔融电写（MEW）打印技术制造 PCL 膜和内核；通过氨基解、碳二亚胺（EDC）和琥珀酰亚胺（NHS）辅助酰胺化等反应对 PCL 膜进行功能化修饰；利用多种检测手段，如激光衍射法、扫描电子显微镜（SEM）、荧光显微镜、荧光分光光度法、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、定量聚合酶链式反应（qPCR）等对制备的材料和细胞分化情况进行表征和分析；构建大鼠临界尺寸股骨缺损非愈合动物模型，结合影像学（X 射线、μCT）和组织学（H&E 染色、Mason's 三色染色、免疫组化等）方法评估骨再生效果 。
研究结果
- TROMS 高效制备 PLGA 微粒子：利用 TROMS 制备的 PLGA - PEG - COOH MPs 高度均匀，平均粒径约 10 微米，rhBMP2 的包封率较高，低载量（200μg/ml）和高载量（1500μg/ml）配方的包封率分别为 64.07±5.20% 和 60.53±6.04%。体外释放实验显示，两种配方在 15 天内均呈现先快速释放，后缓慢持续释放的特征，低载量和高载量配方在第 15 天的累积释放率分别为 69.23±4.23% 和 73.25±4.34%。
- PCL 膜功能化修饰成功：MEW 打印的 PCL 膜经氨基解反应成功引入氨基，通过茚三酮比色试验和 FTIR 分析得以验证。随后，通过 EDC/NHS 辅助酰胺化反应，将 PLGA - PEG - COOH MPs 成功共价结合到 PCL 膜上，SEM 和 FTIR 分析证实了这一结果。优化反应条件后，酰胺化反应效率最高可达 68.89±3.45%。
- 功能化 PCL 膜体外促成骨分化：将负载 rhBMP - 2 的功能化 PCL 膜作为人骨膜来源间充质干细胞（hPMSCs）成骨诱导的底物，与未处理的 PCL 膜相比，功能化膜显著促进了 hPMSCs 向成骨细胞分化，关键成骨基因骨钙素（BGLAP）和骨桥蛋白（SPP1）的相对表达显著增加，茜素红染色也证实了这一点。
- 功能化 PCL 膜体内促进骨再生：在大鼠股骨临界尺寸缺损模型中，植入负载不同剂量 rhBMP - 2 的功能化 PCL - MPs 膜。影像学和 μCT 分析显示，随着 rhBMP - 2 剂量增加，骨再生效果增强，0.6μg 和 1.2μg 剂量组尤为明显，且未检测到异位骨形成。组织学分析表明，较高剂量（0.6μg 和 1.2μg）的 rhBMP - 2 促进了大量骨组织合成，形成了包括骨髓岛在内的骨组织结构，同时检测到丰富的 I 型胶原蛋白和早期骨重塑迹象，且新骨生长局限于 PCL - MPs 复合系统内，未出现异位组织形成。
研究结论与讨论
本研究成功将 MEW 制备的 PCL 支架与 PLGA 微粒子结合，实现了 rhBMP - 2 的局部、持续递送。与现有系统相比，这种共价功能化的方式确保了 rhBMP - 2 的稳定整合和可控释放，大大降低了总形态发生剂量，有效减少了异位骨形成等副作用。此外，TROMS 和 MEW 等可扩展的制造工艺，使该方法具备临床转化的潜力，有望应用于其他组织工程领域。该研究成果为骨组织工程提供了一种创新策略，为骨折不愈合及复杂骨缺损的临床治疗开辟了新途径，展现出良好的应用前景。
