激素相关性骨坏死（
SAON
）是一种具有挑战性的骨科疾病，已成为非创伤性骨坏死的主要原因。目前，尽管髓芯减压术可以在
SAON
早期清除坏死骨组织，降低骨内压，延缓骨坏死的进展。然而传统治疗方法也会产生难以愈合或修复的骨缺损，并且
SAON
缺乏骨再生所必须的微环境，很难实现有效修复，迫切需要研究者研发新型的骨修复材料，以满足临床需求。基于此，来自中国科学院深圳先进技术研究院的赖毓霄教授与南方医科大学的桑宏勋主任医师团队合作，以
MnO
2
纳米粒为效应粒子，以左旋聚乳酸（
PLLA
）为基底材料，利用低温快速成型（
LT-RP
）
3D
打印技术制备了一种新型支架（
PMns
），不仅具有良好的成骨
-
血管生成偶联作用，还可以通过调节巨噬细胞极化清除
ROS
和抑制炎症反应，从而为难治性骨缺损的治疗提供了一条新思路（
Scheme 1
）。
首先，研究者们通过材料表征发现，通过
LT-RP
技术打印的支架力学性能良好，具有相互连通的多孔结构（图
1B-G
，
L
，
M
），并且其中
MnO
2
纳米粒子
分布均匀（图
1H-K
），可在支架降解过程中持续释放，并分解
H
2
O
2
产生
O
2
（图
1P
）。
活死染色显示，
MnO
2
纳米粒子的负载
可以显著避免骨髓来源间充质干细胞（
BMSC
）以及人脐静脉细胞（
HUVEC
）在氧化应激环境中的死亡，并增强细胞中抗氧化相关基因的表达（图
2M
），减少细胞中
ROS
积累（图
2A-G
）。
ALP
染色，茜素红染色以及
qRT-PCR
检测也显示，
MnO
2
纳米粒子的负载增强了
BMSC
的成骨分化（图
3A-H
）。上述结果表明
PMns
在体外具有促进血管生成以及骨修复的潜力。
为了进一步探索相关生物学机制，研究者通过转录组测序以及
WB
实验发现
P10Mn
支架可能是通过调节
TGF-
β
/Smad
信号通路发挥促成骨分化的效果（图
3I-M
）。
此外，研究者还发现
P10Mn
直接可以抑制炎症环境中巨噬细胞的
M1
极化，诱导巨噬细胞向抑制炎症方向的
M2
型极化，从而分泌更高水平的
VEGF
和
TGF-
β（图
4A-N
），最终发挥促进
HUVEC
的迁移与成管，具有良好的促血管生成作用（图
4O-U
）。
进一步，研究者通过将支架植入
SAON
大鼠股骨髁缺损模型验证其体内效果。动态对比增强磁共振成像（
DCE-MRI
）检测显示
P10Mn
支架可以升高损伤部位的骨强度（图
5B
），
Micro- CT
与血管造影结果也显示，与
Control
组和
PLLA
组相比，
P10Mn
组中的新生血管和新生骨均显著增强（图
5C-K
）。免疫荧光染色结果显示，支架在体内同样具有显著的免疫调节效果，可以诱导损伤部位的巨噬细胞
M2
极化，减少局部炎症因子的释放，从而调节
SAON
大鼠骨损伤部位的免疫微环境（图
6
）。
马松染色显示，与
Control
组和
PLLA
组相比，
P10Mn
组在相同时间点均有明显的新骨组织形成和骨长入（图
7A
）。硬组织切片染色也显示了
P10Mn
组中更高的矿物沉积率和骨形成（图
7C
，
D
）。并且在
P10Mn
组中，研究者也观察到了更多
H
型血管的形成，表现为
CD31
和
EMCN
的表达显著升高（图
7E-G
）。上述结果表明
P10Mn
支架在体内具有良好的
SAON
骨缺损修复效果。
综上所述，研究者制备了一种以
MnO
2
纳米粒为效应粒子，
PLLA
为基底材料的
3D
打印支架，可以通过调节
SAON
骨损伤部位的成骨微环境实现损伤部位的血管生成与骨修复。
该研究由中国科学院深圳先进技术研究院的赖毓霄教授与南方医科大学的桑宏勋主任医师团队合作完成，并于
2024
年
10
月
28
日在线发表于
Bioactive Materials
。
文献信息：
Yipei Yang, Zhenyu Yao, Yuanyi Sun, Yangyi Nie, Yuanchi Zhang, Ziyue Li, Zhiheng Luo, Wenjing Zhang, Xiao Wang, Yuhan Du, Wei Zhang, Ling Qin, Hongxun Sang**, Yuxiao Lai*.
3D-printed manganese dioxide incorporated scaffold promotes osteogenic-angiogenic coupling for refractory bone defect by remodeling osteo-regenerative microenvironment
. Bioact. Mater. 2025, 44: 354-370.
供稿：于启帆
审校：袁章琴
编辑：林志
