促骨再生-抗肿瘤双功能钛合金植入体的生物实验研究

摘要

目的 探讨如何在3D打印钛合金植入体表面构建具有时序调控功能的涂层体系，该涂层体系能够依次发挥抗肿瘤和促成骨的双重作用，以用于骨肉瘤术后缺损的治疗与修复。方法 采用选择性激光熔融技术制备多孔Ti-6Al-4V样品，首先对样品进行流动酸蚀处理（AE组）。随后，将纳米羟基磷灰石（nano-hydroxyapatite, nHA）与琼脂糖溶液混合形成内层水凝胶，并通过机械互锁方式填充到多孔结构中（AN组）。将AN组样品浸泡在CaCl₂溶液中，利用水凝胶的溶胀作用吸附Ca²⁺。最后，将海藻酸钠、明胶和阿霉素（doxorubicin, DOX）的混合溶液（外层水凝胶）通过层层交联法包覆在AN组样品表面（AG组）。采用扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）、三维共聚焦激光显微镜、接触角测量仪、电化学工作站和ME50型电子万能试验机对各组样品的表面形貌、表面粗糙度、润湿性、耐腐蚀性及力学性能进行表征。通过浸泡法测定内层和外层水凝胶的溶胀率和降解速率，并评估DOX的体外释放动力学。在AE组和AN组表面培养大鼠骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cells, BMSCs）,检测其黏附、增殖及分化能力；在AE组和AG组表面培养人骨肉瘤细胞（human osteosarcoma, HOS）及大鼠骨髓间充质干细胞，评估其抗肿瘤效果及细胞毒性；在BALB/c小鼠腋下造肿瘤模型，在肿瘤组织底部植入AE和AG两种植入体，评估其体内抗肿瘤效果和生物安全性。结果 SEM分析结果显示，AE组样品表面呈现均匀分布的微米级凹坑结构；AN组样品中可清晰观察到填充于多孔结构中的琼脂糖和纳米羟基磷灰石，其内部形成了数百微米尺度的大孔网络；AG组样品表面呈现较大的微孔结构，孔内可见由阿霉素药物负载引起的褶皱特征，且内部形成了大量毫米级的孔隙结构。表面粗糙度分析表明，AE组和AN组的表面粗糙度维持在4～5μm范围内，而AG组的表面粗糙度降低至2.180μm。接触角测试结果显示，内层水凝胶的负载显著提升了AE组样品的亲水性，而外层水凝胶的负载则使其亲水性略有下降。电化学测试表明，随着双层水凝胶的依次负载，样品的耐腐蚀性能得到提升。溶胀和降解实验表明，内层水凝胶相较于外层水凝胶表现出更低的溶胀比和更缓慢的降解速率。体外药物释放动力学研究显示，DOX的释放呈现初期爆发式释放特征，其可持续释放超过10 d。细胞实验结果表明，与AE组相比，AN组显著促进了大鼠骨髓间充质干细胞的黏附、增殖（P<0.001）和分化（碱性磷酸酶、骨形态发生蛋白2和骨桥蛋白：P<0.01;骨钙素：P<0.05）能力；与AE组相比，AG组对人骨肉瘤细胞表现出显著的杀伤作用（P<0.000 1）,同时对大鼠骨髓间充质干细胞仅表现出轻微的细胞毒性。荷瘤动物实验表明，AG组在保证生物安全性的前提下有良好的抗肿瘤效果。结论 双层水凝胶以空间有序的方式负载于3D打印多孔Ti-6Al-4V植入体中，并基于时间序列协同发挥抗肿瘤与促成骨的双重功能。

关键词

3D打印多孔Ti-6Al-4V植入体 / 双层水凝胶 / 时间序列 / 促成骨作用 / 抗肿瘤作用

基金资助

山东省重点研发计划项目(2024JMRH0207); 山东大学实验室建设与管理研究项目(sy20232304)