近期，中國科學院深圳先進技術研究院賴毓霄研究員團隊在科愛出版創辦的期刊Bioactive Materials上發表研究文章：近紅外響應性3D打印形狀記憶聚氨酯/鎂復合支架促進骨缺損再生。該支架由形狀記憶聚氨酯（SMPU）作為熱響應基質，鎂（Mg）作為光熱劑和生物活性成分，通過低溫快速成型（LT-RP）3D打印技術制備的近紅外響應型支架。該支架可通過近紅外光照恢復初始形狀，和力學回彈。同時緊密填充缺損部位并釋放鎂離子促骨修復，可為臨床骨缺損治療提供一種有效的策略。

01、研究內容簡介

由骨折、創傷等引起的大范圍骨缺損修復一直以來都是公共衛生領域最受關注的問題之一。SMPU是一類新型的刺激響應材料，易加工，變形大，賦予了材料/器件在填充部位的緊密貼合性。然而SMPU在應用中仍具有一些局限性，例如力學性能不足，制備手段不夠精細，缺乏促成骨性能等。因此文章提出采用Mg與SMPU復合，利用LT-RP技術制造3D打印智能骨修復支架。賴毓霄研究員團隊以往的研究證明了Mg具有良好的促成骨活性、機械強度和光熱效應。其中，光熱效應可實現SMPU的遠程刺激－響應調控，在體內實現形狀回復。LT-RP技術可以在低溫下構建多孔支架，是一種很好的調控Mg基復合物的技術方法。因此文章構建低溫3D打印SMPU/Mg支架用于骨修復，為將來進一步的材料優化及器件設計提供基礎。

一、SMPU/Mg骨修復支架促骨再生原理

SMPU/Mg骨修復支架的促骨再生原理是一種“3R”過程：植入缺損部位后，支架在近紅外光的刺激下恢復（recover）形變，實現與缺損周邊骨的緊密接觸，強化支撐作用；然后緩慢釋放（release）具有促成骨活性的Mg離子；最終修復（repair）骨缺損（圖1）。

二、SMPU/Mg骨修復支架結構和性能表征

研究人員首先通過一步法合成基于聚己內酯（PCL-based）的SMPU材料，并復合Mg顆粒結合LT-RP技術制備含有不同質量分數Mg顆粒的形狀記憶復合支架。以SMPU/4 wt% Mg支架為代表，支架在水平和垂直方向上均呈現出相互連通的多級孔結構（圖2a和2b1）。SEM-EDS和XRD結構均證明Mg成功復合進支架中（圖2b2和2c）。復合支架的Tm和力學性能與Mg含量呈正相關（圖2d, 2e 和2f）。另外，研究人員將支架浸泡在pH=7.4的PBS溶液中，12周后支架重量無明顯變化，表明支架穩定性較好，可以在缺損修復期提供一定的力學支撐，且Mg2+可以長期穩定釋放。

干態和濕態兩種環境中的支架在NIR照射下，溫度隨Mg含量和照射時間的增加而升高，且在前60 s升溫較快，同時也證明了SMPU/4 wt%Mg支架具有良好的光熱穩定性（圖3a）。在形狀記憶性能方面，研究人員記錄了遠程NIR照射過程中支架的形狀回復（圖3b，3c，3d和3e）。SMPU/4 wt%Mg支架具有最平衡的形狀固定率和回復率，在恢復形狀的過程中，支架可以舉起超過其自身重量的1700倍的重物（圖3f，3g和3h）。這些結果證明了支架具有良好的NIR響應性和力學支撐能力。

三、細胞實驗和動物實驗

研究人員考察了支架對于MC3T3-E1細胞的影響，均表現出較好的細胞活性和增殖能力（圖4a）。ALP染色和ARS染色結果（圖4b1）顯示，與對照組和SMPU組相比，含Mg支架組可以有效促進BMSc細胞ALP和鈣結節產生（圖4b）。此外，研究人員用qPCR檢測了Runx2和OST基因的表達，結果也證實了SMPU/4% Mg支架可以顯著促進BMSc成骨分化（圖4c）。

在體內實驗中，SMPU/4 wt% Mg支架在植入過程中在NIR照射下，支架恢復到原有的形狀和多孔結構（圖5b）。在生物力學測試中，形狀記憶支架可以與缺損骨緊密貼合，最大推出力有了顯著性提高（圖5b）。在有限元分析中，相比于不具備光熱效應的SMPU支架，SMPU/4 wt% Mg支架可以將缺損骨-支架界面最大應力提高2個數量級，證明了其良好的力學支撐性（圖5c）。

另一方面，研究人員通過Micro-CT重建發現，與空白組（無支架）和SMPU支架組相比，SMPU/4% Mg支架植入后有更多的新生骨（圖6a和6b）。H&E染色結果顯示，與空白組和原始SMPU組相比，SMPU/4 wt% Mg組在各時間點均可發現更多的新骨組織（圖6c）。這也證明了含Mg支架可以有效的促骨再生。

綜上所述，文章報道了利用LT-RP 3D打印技術構建具有NIR響應的SMPU/Mg復合支架，以解決傳統形狀記憶材料孔隙率低、體溫響應以及生物活性不理想的局限性。該支架在植入后可以利用NIR光遠程調控實現緊密貼合缺損部位；隨著Mg2+的穩定釋放，最終實現了良好的骨再生，為發展新一代的遠程調控智能骨修復支架提供了實驗基礎，具有很大的臨床轉化前景。