研究人员首先进行了3D打印SC/PCL复合支架的制备与表征。通过采用固相反应方法成功合成了大块的SC粉体，所制备的SC粉体呈现出多层的微观结构（图2a），并在去离子水中通过超声剥离形成SC纳米材料（图2b）。通过原子力显微镜（AFM）测定可知，分层纳米SC的尺寸约为nm，厚度为5-10nm（图2c），证明了超薄2D纳米SC的成功制备。之后，研究人员通过3D打印技术，进一步制备了具有不同SCNS浓度（2，4，8wt%，分别为2-SC/PCL，4-SC/PCL，8-SC/PCL）的SC/PCL复合支架。通过光学图像显示，随着加入SCNS的增加，支架的颜色发生变化（图2d），所有支架表面光滑，并有均匀的45°交错结构（图2e-h）。能量色散x射线光谱（EDS）元素图显示了Sr、Cu、Si和O元素的存在（图2i），证实了SC纳米材料的成功封装。同时，将支架直接进行物理切割也证明了这一点（图2j）。此外，与纯PCL支架相比，SCNS的加入显著提高了3D打印SC/PCL复合支架的压缩模量（图2k）。3D打印SC/PCL复合支架在体外实验中还观察到生物活性离子（Sr，Cu，Si）的释放，可持续4周（图2l-n）。
随后，研究人员对3D打印SC/PCL支架的体外成骨和血管性能进行了研究。结果表明，rBMSC和HUVEC在不同3D打印支架上均能有效增殖，其中4-SC/PCL支架的增殖效果优于其他各组（图3a，b）。通过ALP染色结果表明，3D打印复合支架较单独打印PCL支架显著提高ALP表达，其中4-SC/PCL支架的成骨性能最高。因此选择4-SC/PCL支架作为具有代表性的复合支架进行进一步的细胞研究（图3c，d）。
接着，研究人员通过细胞迁移实验分析评估了4-SC/PCL支架对HUVEC迁移的影响，结果表明4-SC/PCL组的HUVEC比单独PCL组迁移的HUVEC更多（图3e，f）。同样，通过体外血管形成实验显示，与PCL组相比，4-SC/PCL支架形成了更多的血管（图3g，h）。qRT-PCR检测进一步揭示了4-SC/PCL支架具有成骨和成血管的功能，与单独PCL支架相比，4-SC/PCL支架培养的细胞成骨基因（OCN，BMP2，RUNX2）和成血管基因（VEGF，HIF-1α，BFGF）的表达大幅上调（图3i，k）。
为了研究3D打印SC/PCL复合支架的体内成骨性能，建立大鼠颅骨缺损模型，研究人员分别植入3D打印PCL和4-SC/PCL支架。通过Micro-CT三维重建图像显示，在PCL和4-SC/PCL支架中，4-SC/PCL支架有更多的新骨生成，定量分析也证明了这一点（图4a-c）。苏木精-伊红染色和Masson三色染色进一步证明了更多新生骨组织在4-SC/PCL支架中生长，并且PCL组和4-SC/PCL组均未观察到明显的炎症细胞，说明其体内生物相容性良好（图4d，e）。此外，对成骨的生物标记物（OPN，RUNX2）和血管生成生物标志物（CD31，HIF-1α）进行免疫组织化学染色（图4f），结果进一步证明了4-SC/PCL支架的成骨和成血管性能。
接着，研究人员还对NIR-II生物窗中光热转换效率高的SC纳米片进行了深入研究。在nm激光照射下（0.6Wcm-2）5分钟，SC/PCL支架中观察到温度明显升高，且与SC浓度有很强的依赖性。作为对照，PCL支架在相同辐照条件下仅有7.4℃的温度提高（图5a）。复合支架的光热性能也依赖于激光功率密度，在较高的激光功率照射下，温度显著升高（图5b）。此外，在6次重复的NIR-II激光器开/关循环下没有发现明显的温度下降，这表明4-SC/PCL支架具有良好的光热稳定性（图5d）。为了进一步验证SC/PCL复合支架的抗肿瘤效果，分别在PCL和4-SC/PCL支架上培养骨肉瘤细胞（Saos-2），在NIR-II激光辐照前PCL和4-SC/PCL支架没有任何细胞*性。而在NIR-II激光激发下，4-SC/PCL支架对Saos-2细胞的消融率为90%，远远优于PCL支架单独引起的的细胞死亡（图5d）。另一方面，在高激光功率下，4-SC/PCL支架显著降低了细胞的活力（图5e）。此外，钙*素-AM/碘化丙啶PI染色进一步证实了上述结果（图5f）。这些结果表明，3D打印SC/PCL复合支架具有显著的体外抗肿瘤效果。
最后，研究人员研究了复合支架的体内抗肿瘤效果。将支架植入肿瘤底部，用热成像相机记录原位热图像，结果显示4-SC/PCL支架处理的肿瘤部位在前2分钟温度迅速升高，最高温度为53.4℃，而PCL支架在相同激光剂量下，肿瘤部位的最高温度为42.6℃（图6a，b）。通过对比相对肿瘤体积的结果显示，4-SC/PCL支架组具有明显的抗肿瘤效果，甚至在4天后就可以看到肿瘤完全根除（图6c，d）。HE和TUNEL染色结果显示，与其他组相比，4-SC/PCL支架组细胞凋亡严重，证实4-SC/PCL支架在NIR-II激光照射下光热处理效果良好（图6d），并且在治疗过程中小鼠体重未见特别变化（图6e），而主要器官的HE染色表明支架具有良好的生物相容性（图6f）。因此，3D打印SC/PCL复合支架具有良好的生物相容性和光热性能。
综上所述，本研究成功构建了基于3D打印SC/PCL复合支架的双功能平台，通过NIR-II光热治疗骨肉瘤的同时增强血管化骨再生。NIR-II区的高光热转换效率使支架具有良好的光热治疗深层骨肉瘤的效果，同时支架释放的生物活性离子（Sr，Si，Cu）可促进体内血管化骨再生，具有成为安全高效的抗肿瘤平台的潜力。
本研究由深圳大学*鹏教授、罗永祥副教授和中科院上海硅酸盐研究所吴成铁教授课题组共同完成，并于年8月15日在线发表于AdvancedScience。
论文信息：ChenYang,HongshiMa,ZhiyongWang,MuhammadRizwanYounis,ChunyangLiu,ChengtieWu*,YongxiangLuo*,andPengHuang*.3DprintedwesselsitenanosheetsfunctionalizedscaffoldfacilitatesNIR-IIphotothermaltherapyandvascularizedboneregeneration.Adv.Sci.,.供稿：陈起新审校：刘昭编辑：孟庆琛预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇