3D打印壳聚糖基pH响应双功能支架用于骨髓炎治疗：协同抗菌与成骨作用

当前骨髓炎治疗中，实现感染控制与骨再生的时空协调颇具挑战，细菌诱导的酸性微环境及毒素介导的成骨细胞功能障碍是关键难题。传统策略如抗生素与支架结合，存在局部浓度不足、材料不可降解或药物突释致细胞毒性等问题。来自四川大学的李玉宝教授、邹琴副研究员团队合作，开发出3D打印壳聚糖基pH响应双功能支架VM@n-HA/CS/DM。该支架通过希夫碱键将载万古霉素壳聚糖微球（VM）结合于支架表面，酸性环境下选择性释放药物靶向杀灭金黄色葡萄球菌，同时支架基质中分散的载双氯芬酸壳聚糖微球（DM）持续释放抑制毒素表达、保护成骨细胞，其分层多孔结构兼顾营养运输与机械强度。相关工作以《A 3D-printed chitosan-based pH-responsive dual functional scaffold for osteomyelitis: synergistic antibacterial and osteogenic treatment》为题发表在《Carbohydrate Polymers》上。

研究内容
      通过水-油乳化法制备载药微球，结合3D打印技术与范醛交联工艺，研究VM@n-HA/CS/DM支架的构建流程及治疗机制，结果表明该支架通过pH敏感希夫碱键连接VM至表面，DM分散于基质中，可在酸性环境释放万古霉素杀菌，同时持续释放双氯芬酸保护成骨细胞。
 

通过钻孔植入金黄色葡萄球菌与鱼肝油酸钠，构建感染模型后清创并植入不同支架，研究支架在体内的治疗效果，结果表明VM@n-HA/CS/DM组术后4周骨缺损修复最佳，皮质骨光滑且骨小梁连续。
 

通过扫描电镜、激光粒度仪、红外光谱等手段，研究VM和DM的形貌、粒径、化学结构及 swelling 行为，结果表明VM表面光滑、DM含药物结晶，微球在pH6.0环境 swelling 率更高，成功负载药物且结构稳定。  
 

通过流变学分析、扫描电镜、压缩测试及降解实验，研究支架的打印适性、微观结构、机械强度及降解行为，结果表明支架具剪切稀化特性，孔隙率约58%，VM@n-HA/CS组弹性模量达8.82MPa，pH6.0环境降解更快。  
 

通过将VM@n-HA/CS支架置于不同pH PBS及细菌悬液中，研究VM的释放行为，结果表明pH6.0和细菌悬液中VM释放量显著高于pH7.4，2小时释放率分别达41.30%和45.22%。
 

通过透析法测定万古霉素释放曲线，结合抑菌环实验，研究VM在不同pH下的释药规律及杀菌能力，结果表明pH6.0时14天累计释放52.58%，抑菌环直径达12.21mm，酸性环境释药更快且抗菌效果更强。
 

通过扫描电镜和透射电镜观察细菌与微球的相互作用，研究VM的抗菌机制，结果表明VM通过静电作用吸附细菌，导致细菌膜破裂、细胞质泄漏，而单纯壳聚糖微球仅吸附细菌不杀菌。   
 

通过透析法测定双氯芬酸释放曲线，结合细胞共培养实验，研究DM的释药特性及对成骨细胞的保护效果，结果表明pH7.4时14天释放53.68%，高浓度双氯芬酸可使成骨细胞维持正常形态，存活率显著提升。
 

通过Micro-CT扫描胫骨样本，定量分析骨体积和骨密度，研究不同支架的骨再生效果，结果表明VM@n-HA/CS/DM组骨密度达878.15mg HA/cm³，虽骨体积较低但结构更致密，修复效果最佳。
 

通过H&E、Giemsa和Masson染色，观察骨组织炎症细胞浸润、细菌残留及胶原沉积，研究支架的抗菌与成骨能力，结果表明VM@n-HA/CS/DM组炎症细胞少、无细菌残留，胶原纤维排列整齐，新骨生成显著。
 

研究结论
      本研究开发了一种3D打印的pH响应性双药负载骨修复支架（VM@n-HA/CS/DM），通过时空分级释药逻辑，同步解决骨髓炎治疗中感染控制与骨再生的双重挑战。该支架通过pH敏感的希夫碱键将VM接枝于表面，在细菌感染的酸性微环境中精准释放抗生素，实现靶向杀菌；同时，基质中封装的DM通过控释机制持续中和细菌毒素，保护成骨细胞并增强其成骨能力。体外和体内研究证实，该支架能有效抑制感染复发，增强成骨细胞活性，促进骨再生。此支架建立了精准控释、时序协同释药和结构适配的骨髓炎治疗新范式，展现出良好的临床转化潜力。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123866