从稳定性角度揭示离子掺杂对磷酸钙材料的影响机制将有力推动掺杂改性策略的发展。本研究以生物磷灰石前驱相磷酸八钙作为模型，发现不同电荷和半径的离子掺杂会在不同程度和相反方向上改变材料的热稳定性，并通过介导材料的表面特性和离子释放协同调控其成骨活性。本研究为理解离子掺杂改性机制和开发生物活性磷酸钙材料提供参考依据。

01、研究内容简介

开放性骨折或种植手术后的骨感染仍然是骨科领域的一个挑战。由可生物降解聚合物制成的3D添加剂制造(AM)支架是支持在骨不连情况下骨愈合的理想材料，并可通过加入抗生素赋予其抗菌性能。在本研究中，环丙沙星和庆大霉素分别插层在镁铝水滑石和α-磷酸锆层间。结果表明，通过高温熔融挤压来构建用于骨再生和预防感染的双功能3D支架是可能的。

图1熔融挤出法制备的抗菌复合支架(PEOT/PBT-填料-抗生素)示意图。这些聚合物复合材料支架包含MgAl插层复合材料或ZrP插层复合材料。当浸没在洗脱液溶液中时，阴离子可以与CFX交换，CFX从填料和聚合物基质中扩散到洗脱液中。另一方面，阳离子可以在基于ZrP的GTM系统中与GTM交换，允许GTM从填料和聚合物基质中扩散出来。抗生素的释放赋予支架抗菌活性。

图2复合支架的填料分布和抗生素定位。支架横截面和细丝表面的BSEM显微照片，描绘了不同填料-抗生素浓度下(A) MgAl-CFX_s和(B) ZrP-GTM_s上的填料分布(如白点)。比例尺250 μm。(C) 20%MgAl-CFX_s和(D) 20% ZrP-GTM_s的代表性纤维横截面的EDAX元素图。比例尺50 μm。

如图2所示，背散射电子显微镜(BSEM)图像证实，随着支架细丝表面和横截面上填充物抗生素浓度的增加，填充物(可见为亮点)的数量也在增加。用能量色散X射线能谱(EDS)分析了填料为含MgAl和ZrP的颗粒，发现CFX(F和N)和GTM(S和N)分子中独特的原子元素与它们各自的片状颗粒共存(图2C和D)。这有力地表明，经过熔融共混和AM处理后，纤维中的填料和抗生素没有分离，而是保持了原有的填料结构。此外，在加工步骤中，两种类型的填料的颗粒大小都保持在合成后的值内。在AM过程中观察到了轻微的尺寸减小，可能是由于打印头螺钉中较高的剪切力(图1)。尽管在纤维表面附近存在一些填充聚集体，但复合支架的表面粗糙度在微观上没有明显变化，表面光滑，可与PEOT/PBT支架媲美(图2)。地下集合体确实形成了地形投影，但由于其数量较少且间隔较大(约为100μm)，细胞不太可能同时与多个投影相互作用。

为了评价MgAl-CFX_s和ZrP-GTM_s的抗生素释放动力学，将复合支架与dPBS孵育，并随时间监测CFX和GTM的释放量。如图3A所示，通过增加MgAl-CFX_s中的MgAl-CFX浓度，随着时间的推移，释放出更多的CFX。在ZrP-GTM_s的GTM释放曲线上也观察到了类似的趋势(图3B)。这一趋势表明，通过调整与聚合物基质混合的填充物-抗生素浓度，可以设计一种定制的支架，随着时间的推移释放所需数量的抗生素。虽然两种体系均表现出填充剂-抗生素浓度依赖的释放曲线，但在MgAl-CFX_s和ZrP-GTM_s上观察到显著不同的释放动力学。在所评价的时间内(1个月)，CFX从MgAl-CFX_s中持续释放，而从ZrP-GTM_s中的GTM在最初的24小时内突然释放，随后缓慢释放，直到研究结束(图3A和B)。

为进一步了解20%ZrP-GTM_s的释药机理，将释药过程分为两个阶段：快速释药阶段I(<24小时)和缓释阶段II(>24小时)。修正的Freundlich动力学模型，描述了粘土通过离子交换从平面上的非均匀扩散，被发现解释了第一阶段的释放(图2)。这意味着GTM在最初的24小时内通过阴离子交换快速扩散到介质溶液中，这是由于抗生素在水基中性pH洗脱液中的高溶解性[48-50]。由于在研究期过后，GTM的释放量没有达到100%(图3)，假设第一阶段释放的GTM来自位于支架纤维表面的ZrP颗粒，之后聚合物网络阻止了内部ZrP颗粒的GTM释放，导致第二阶段观察到的平台状轮廓(图3B)。这种行为已经被报道过，可能是由于PEOT/PBT在特定PEO相对分子质量(300 KDa)和PEOT/PBT链段比(55：45)下较差的吸水/溶胀能力(4%吸水率)，水分子在聚合物网络中的扩散速率较低。在这种情况下，仍然并入体系中的GTM可以在聚合物降解时释放，这一过程可以通过增加共聚物的PEO链段的分子量或使用不同的更快的降解材料来加速。根据同样的推论，MgAl-CFX_s的CFX释放曲线没有达到平台期，只有大约15%-20%的CFX被释放(图2)，表明评价期间释放的CFX也来源于纤维表面的MgAl颗粒。这可能是由于CFX在中性pH下的低溶解度，以及可能是较强的填料-抗生素相互作用，20%的ZrP-GTM_s在20%的MgAl-CFX_s中没有出现第一阶段的快速释放。

图3 不同洗脱条件下MgAl-CFX和ZrP-GTM共聚物复合材料的抗生素释放曲线。在37℃的4周时间内，镁铝复合材料中的(A) CFX和ZrP复合材料中的(B) GTM在dPBS中的累积释放证明了填料-抗生素浓度依赖性释放。填料的存在和洗脱液的酸碱度对(C) CFX和(D) GTM从填料-抗生素复合膜(分别为20%MgAl-CFX_f和20% ZrP-GTM_f)和由相当量的抗生素直接分散在共聚物基质(10% CFX_f和10% GTM_f)中组成的膜中的累积释放百分比的影响，在37℃下，在酸性、中性和碱性的缓冲液中浸泡3周。

为了更深入地了解MgAl-CFX_s和ZrP-GTM_s促进新骨形成的潜能，对种植在不同支架上的hMSCs的成骨分化能力进行了分析。初步结果表明，填充物-抗生素复合体的存在对hMSCs的成骨能力有影响。在矿化介质(MM)中28天后，所有浓度的MgAl-CFX_s和20%的ZrP-GTM_s上都没有观察到或定量地观察到矿物沉积，而在5%和10%的ZrP-GTM_s中，钙沉积比对照样品减少了约10倍(图3)。然而，仅使用聚合物和填充剂的对照支架在MM中28天后观察到钙沉积，达到先前研究报告的水平。这表明填充物不影响hMSCs的成骨行为。

为了预防植入物相关手术骨折后的感染，需要局部应用抗生素。本研究的目的是开发高温熔融挤出AM法制备的抗生素负载型三维支架。为了保护抗生素在制备过程中不受热应力的影响并获得缓释，将抗生素CFX和GTM分别插入到无机层状填料MgAl和ZrP的片层结构中，然后再分散到聚合物基质中。与无填料体系相比，填充基支架具有更好的缓释效果。抗生素通过通过聚合物基质的扩散和由离子交换或pH变化控制的机制释放。对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌显示出与未经加工的抗生素相同的抗菌水平，证实了高温AM后抗生素的功能性。重要的是，在支架中加入填充物和抗生素既不会影响hMSCs的活性，也不会阻止其成骨分化，正如基质矿化、大肠杆菌和OPN的表达所证实的那样。这些新提出的方法可以通过在高温下制备的支架中直接加入抗生素来制造双功能支架，并有可能改善感染管理，同时允许骨再生。此外，这种方法为未来使用其他相关抗生素和可生物降解的热塑性聚合物的研究打开了大门，以进一步优化该系统，使其走向临床应用。

原文信息

M. Cámara-Torres, S. Duarte, R. Sinha, A. Egizabal, N. Álvarez, M. Bastianini, M. Sisani, P. Scopece, M. Scatto, A. Bonetto, A. Marcomini, A. Sanchez, A. Patelli, C. Mota, L. Moroni, 

3D additive manufactured composite scaffolds with antibiotic-loaded lamellar fillers for bone infection prevention and tissue regeneration, 

Bioactive Materials 6(4) (2021) 1073-1082. 

Doi:10.1016/j.bioactmat.2020.09.031