临界尺寸骨缺损的治疗需要能够同时解决再生、血管化和感染问题的先进移植物。本研究开发了一种多功能3D打印支架，旨在实现协调性的骨愈合，该支架由铜掺杂羟基磷灰石（Cu-HA）纳米颗粒增强的海藻酸盐构成，并后期功能化负载L-精氨酸（Arg）。物理化学分析证实支架制备成功，具有可控的孔隙率和1.6–2.6 GPa的压缩模量，适用于松质骨修复。此外，Cu-HA组分赋予支架在808 nm照射下显著且可控的光热响应，在水合状态下温度升幅可达26 °C。支架还表现出增强的蛋白质吸附能力和强效的、依赖于铜的抗菌效应。体外生物学评估揭示了多方面的促血管生成反应：支架浸提液在划痕实验中显著刺激内皮细胞迁移，并在Matrigel上强力增强管状结构形成；Arg的加入诱导了向细长、稳定细胞网络的明显形态学转变。在成骨方面，升高的Cu2+水平加速了分化进程，而Arg与Cu2+的联合作用显著上调了I型胶原（COL1）和骨桥蛋白（OPN）的表达。通过将结构支撑与已证实的抗菌、促血管生成、成骨及光热功能相结合，该支架代表了针对复杂骨组织工程应用的一个前景广阔的多重刺激平台。
研究背景与意义
骨组织工程（Bone Tissue Engineering, BTE）中，支架作为三维模板需同时应对结构支撑、血管长入、抗感染及促进成骨等多重挑战。传统松质骨缺损修复面临支架孔隙结构不可控、生物活性不足及术后感染风险高等问题。现有铜掺杂羟基磷灰石（Cu-HA）虽具备抗菌与促成骨特性，但常因高温加工导致聚合物降解，且单一功能难以满足复杂生理环境需求。此外，L-精氨酸（Arg）作为一氧化氮（NO）前体已被证实可调控成骨与血管生成，但其与铜离子的协同机制及在3D打印体系中的整合尚未明确。本研究由伊朗塞姆南医科大学Alireza Noori与Nasrin Lotfibakhshaiesh团队开展，旨在通过低温挤出式3D打印技术构建一种集结构、生化与物理刺激于一体的多功能支架，相关成果发表于《Materials Today Advances》。
主要关键技术方法
研究人员采用低温挤出式3D打印技术，以海藻酸钠为基质，复合不同摩尔比（1%、2%、5%）的铜掺杂羟基磷灰石（Cu-HA）纳米颗粒制备生物墨水。支架经氯化钙交联后，通过浸泡法负载L-精氨酸（Arg）。研究通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、万能试验机及近红外热成像系统对支架理化性质进行表征；采用静态水接触角评估亲水性；通过离子释放曲线与蛋白质吸附实验分析降解行为；利用抑菌圈实验与SEM观察评价抗菌性能；通过直接接触MTT法、间接活死染色及SEM观察评估细胞相容性；采用划痕实验与Matrigel管状形成实验检测血管内皮生长因子活性；通过碱性磷酸酶（ALP）活性、茜素红S染色及免疫荧光染色（COL1、OPN）评估间充质干细胞的成骨分化能力。
研究结果
3.1 物理化学表征
研究人员成功制备了具有均匀多孔结构的Cu-HA/海藻酸盐复合支架。FTIR证实了海藻酸盐羧基与羟基磷灰石磷酸基团的成功复合。SEM显示支架孔径约为500×600 μm，符合骨组织工程最佳孔隙范围，且表面粗糙利于细胞黏附。接触角测试表明所有组均呈亲水性，铜掺杂未显著改变表面润湿性。压缩模量测试显示支架干态模量为1.6–2.6 GPa，适用于松质骨承重。降解实验表明，铜掺杂加速了支架早期质量损失，这与Cu2+释放引起的局部酸性环境相关。离子释放曲线显示，钙离子的释放主要由交联剂氯化钙主导，而铜离子呈现双相释放模式（初期突释与后期缓释）。蛋白质吸附实验表明，铜含量越高，支架吸附血清蛋白的能力越强。Arg负载效率随铜含量增加而提升，归因于Cu2+与Arg的配位结合增强了吸附稳定性。光热性能测试显示，Cu-HA粉末及支架在808 nm近红外激光照射下产生浓度依赖的温度升高，水合状态下5% Cu-HA支架在1.0 W/cm2功率下升温达25.9 °C，具备光热治疗潜力。
3.2 抗菌研究
研究人员发现，不含Arg的Cu-HA支架对革兰氏阴性菌大肠杆菌（E. coli）和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（S. aureus）均表现出浓度依赖的抗菌活性。Cu-HA 5支架对E. coli产生明显的抑菌圈，对S. aureus则显著抑制细菌生物膜形成。SEM观察证实，高浓度铜组（Cu-HA 5）表面仅有少量分散细菌，无生物膜结构，表明其通过释放Cu2+破坏细菌细胞膜完整性实现杀菌。
3.3 细胞毒性与黏附
MTT与活死染色实验表明，所有支架组均支持大鼠间充质干细胞（rMSCs）与人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的存活与增殖，即使在高铜浓度（Cu-HA 5）下也无显著细胞毒性。SEM显示，细胞在支架表面广泛铺展，形成伪足与丝状结构，其中Cu-HA 1组细胞铺展最为充分，表明适量铜离子可促进细胞黏附与迁移。
3.4 成骨分化：铜与L-精氨酸的协同加速作用
研究人员通过浸提液实验发现，铜离子虽在早期（7天）降低了碱性磷酸酶（ALP）活性，但在晚期（21天）显著促进了钙结节矿化。免疫荧光结果显示，铜与Arg联合作用强烈上调了骨桥蛋白（OPN）与I型胶原（COL1）的表达。这表明铜通过稳定缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）加速成骨分化进程，而Arg作为胶原合成前体与Wnt信号通路激活剂，提供了基质合成的原料与信号支持，二者协同优化了成骨表型。
3.5 支架浸提液的促血管生成活性
划痕实验表明，Cu-HA浸提液剂量依赖性地促进HUVECs迁移，Cu-HA 2组效果最强。Matrigel管状形成实验显示，纯HA组即可促进基础血管网络形成，铜掺杂进一步增加了网络复杂度（总管长、网格数），而Arg的加入虽未增加网络数量，但诱导了内皮细胞向细长、线性排列的形态转变，模拟了血管成熟与稳定的特征。这揭示了支架通过“HA基础信号-Cu触发生长-Arg调控成熟”的三级级联反应促进血管化。
讨论与结论总结
研究人员指出，本研究的核心突破在于将光热转换、抗菌、促成骨与促血管生成功能整合于单一3D打印支架。铜掺杂不仅赋予了材料近红外光热响应，还通过离子释放精确调控细胞行为；Arg的引入则弥补了单一铜离子在基质合成与血管稳态方面的不足。尽管缺乏体内验证，但该支架展现出的多重协同效应为复杂骨缺损修复提供了新策略。未来工作需聚焦于体内动物模型验证及光热-生化信号的时序调控机制。
结论
研究人员成功构建了集结构支撑、可控离子释放、光热治疗、抗菌及双重生物活性（成骨/血管生成）于一体的多功能3D打印支架。该平台通过铜与L-精氨酸的协同作用，实现了成骨分化加速与血管网络稳定化的平衡，为临床转化提供了具有潜力的“智能”植入物原型。
