3D打印锶掺杂β-TCP生物陶瓷三重周期极小曲面支架：兼具促血管生成与成骨性能的新型骨修复材料

为解决骨缺损修复中血管化不足与成骨活性难以兼顾的难题，解放军总医院口腔医学研究中心联合北京理工大学研究人员创新性地采用数字光处理(DLP)3D打印技术，构建了锶(Sr)掺杂β-磷酸三钙(β-TCP)三重周期极小曲面(TPMS)支架。研究发现10 mol% Sr掺杂支架通过协同释放Sr2+/Ca2+离子和仿生孔隙结构，显著促进MC3T3-E1细胞成骨分化和HUVECs血管形成，在大鼠股骨髁缺损模型中实现血管化骨再生。该研究为开发安全高效的组织工程支架提供了新范式。

　　

骨缺损修复一直是临床面临的重大挑战，特别是口腔颌面部等承重部位的临界尺寸骨缺损，传统自体骨移植存在供区受限、免疫排斥等风险。虽然β-磷酸三钙(β-TCP)生物陶瓷因其良好的生物相容性和降解性被广泛研究，但其固有的两大缺陷严重制约临床应用：机械强度与高孔隙率难以兼得，以及缺乏促进血管网络形成的生物活性。如何在不牺牲结构性能的前提下，同时赋予材料优异的成骨和促血管能力，成为骨组织工程领域亟待突破的科学难题。

解放军总医院口腔医学研究中心与北京理工大学的研究团队独辟蹊径，从自然界中获取灵感——借鉴叶片、珊瑚和骨小梁中普遍存在的三重周期极小曲面(TPMS)结构，这种具有恒定平均曲率的双曲面几何形态既能提供80%的高孔隙率，又能通过应力分散效应保持1.44 MPa的压缩强度。更巧妙的是，研究人员将目光投向人体骨骼中天然存在的微量元素锶(Sr)，它既能通过钙敏感受体(CaSR)激活Wnt/β-catenin通路促进成骨，又能抑制破骨细胞活性，近年研究还发现其具有促血管生成潜力。但传统Sr掺杂材料面临两难困境：高剂量(通常>10 mol%)虽增强生物活性却可能引发骨矿化异常，低剂量又难以达到理想疗效。

针对这一"剂量-活性-安全"的三角悖论，研究团队创新性地提出"结构增强生物活性"策略：通过数字光处理(DLP)3D打印技术精准构建Sr掺杂β-TCP的TPMS支架，利用仿生拓扑结构放大低剂量Sr的生物效应。相关研究成果发表在《Regenerative Biomaterials》上，为开发新一代骨修复材料提供了重要理论依据和技术支撑。

研究采用四大关键技术：1)基于Rhino软件设计孔隙率80%、孔径300-700 μm的TPMS结构模型；2)通过DLP 3D打印制备不同Sr含量(0-10 mol%)的β-TCP支架；3)采用SD大鼠股骨髁缺损模型(直径2.5 mm×深度3 mm)进行4/8周体内评估；4)结合Micro-CT、组织学和免疫组化等多模态分析手段评价成骨与血管化效果。

【材料表征】通过SEM-EDS和XRD证实Sr成功掺入β-TCP晶格且分布均匀。力学测试显示5Sr-TCP组抗压强度达1.44 MPa，优于纯TCP组。降解实验发现10Sr-TCP呈现"快速释放-平台期"的双相离子释放动力学，5天时Sr²⁺浓度达3.12 mM，处于安全治疗窗(3-12 mM)内。

【体外生物相容性】CCK-8和Live/Dead染色显示所有支架均支持MC3T3-E1细胞和HUVECs增殖，10Sr-TCP组细胞活性最高。免疫荧光显示10Sr-TCP使黏着斑蛋白(vinculin)表达提升2.3倍，划痕实验证实其促进细胞迁移率达89%。

【成骨性能】ALP和茜素红染色显示10Sr-TCP使MC3T3-E1细胞碱性磷酸酶活性和钙结节形成分别增加3.1倍和2.8倍。qPCR证实其显著上调Runx2、OCN等成骨基因表达，其中Osteopontin(OPN)表达量达对照组的4.2倍。

【血管化能力】Transwell实验显示10Sr-TCP使HUVECs迁移数增加2.1倍；Matrigel管形成实验中，其总管长(1,852 μm)和分支点数(28)均显著优于其他组。血管生成基因检测显示VEGF、HIF1α表达分别上调3.7倍和3.3倍。

【体内修复效果】Micro-CT显示植入8周后，10Sr-TCP组新生骨体积分数(BV/TV)达48.71%，显著高于TCP组(36.31%)。组织学显示其形成成熟的板层骨结构，CD31阳性血管数(25/视野)是TCP组的2.5倍，OPN阳性细胞占比达62.3%，证实其协同促进血管化骨再生。

该研究突破性地解决了传统生物材料"高孔隙率-高强度-高生物活性"不可兼得的技术瓶颈，建立了三大创新范式：首先，通过TPMS拓扑优化与精准Sr掺杂的协同设计，在80%孔隙率下实现1.44 MPa的力学强度，同时将有效Sr剂量降低50%以上；其次，阐明Sr²⁺/Ca²⁺双离子释放通过PI3K/AKT/mTOR和ERK1/2等多通路协同调控成骨-血管化耦合的分子机制；最后，证实10 mol% Sr-TCP支架能同步激活OPN、VEGF等关键生物标志物，为个性化骨修复体的临床转化提供安全有效的解决方案。这种"结构赋能"的设计理念不仅适用于骨再生领域，也为其他组织工程材料的开发提供了普适性研究思路。