负载纳米钽的液晶显示光固化聚乳酸支架制备及促成骨性能

doi:10.12307/2025.228

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (4): 670-677.doi: 10.12307/2025.228

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负载纳米钽的液晶显示光固化聚乳酸支架制备及促成骨性能

李明哲1，叶翔凌2，王冰1，余翔3，4

1南阳医学高等专科学校针灸骨伤系，河南省南阳市 473000；2广州中医药大学东莞医院，广东省东莞市 523888；3广州中医药大学第一附属医院，广东省广州市 510405；4广东省中医临床研究院，广东省广州市 510405

收稿日期:2023-11-30 接受日期:2024-01-20 出版日期:2025-02-08 发布日期:2024-05-29
通讯作者: 余翔，博士，主治医师，广州中医药大学第一附属医院颈椎病与脊柱骨病科，广东省广州市 510405；广东省中医临床研究院，广东省广州市 510405
作者简介:李明哲，男，1983年生，河南省南阳市人，汉族，硕士，副教授，主要从事退行性骨关节病诊断与治疗研究。
基金资助:
河南省高等职业院校创新发展行动计划项目-李氏针灸工作室(XM-17-439)，项目负责人：李明哲；国家自然科学基金项目(82305264)，项目负责人：余翔；广州市青年科技人才托举项目(QT-2023-022)，项目负责人：余翔；市校(院)联合资助(登峰医院)基础研究项目(202201020307)，项目负责人：余翔；广州中医药大学第一附属医院中青年骨干人才培育项目-青优人才(2023QY13)，项目负责人：余翔

Preparation and osteogenic properties of liquid crystal display light-cured polylactic acid scaffold loaded with nano-tantalum

Li Mingzhe1, Ye Xiangling2, Wang Bing1, Yu Xiang3, 4

1Department of Acupuncture and Orthopedics, Nanyang Medical College, Nanyang 473000, Henan Province, China; 2Dongguan Hospital, Guangzhou University of Chinese Medicine, Dongguan 523888, Guangdong Province, China; 3First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; 4Guangdong Clinical Research Institute of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China

Received:2023-11-30 Accepted:2024-01-20 Online:2025-02-08 Published:2024-05-29
Contact: Yu Xiang, MD, Attending physician, First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; Guangdong Clinical Research Institute of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:Li Mingzhe, Master, Associate professor, Department of Acupuncture and Orthopedics, Nanyang Medical College, Nanyang 473000, Henan Province, China
Supported by:
Innovation and Development Action Plan Project of Higher Vocational Colleges in Henan Province-Li’s Acupuncture Studio, No. XM-17-439 (to LMZ); National Natural Science Foundation of China, No. 82305264 (to YX); Guangzhou Youth Science and Technology Talent Promotion Project, No. QT-2023-022 (to YX); Basic Research Project Jointly Funded by Municipal Schools (Institutions) (Dengfeng Hospital), No. 202201020307 (to YX); Young and Middle-Aged Key Talents Training Project-Young Talents of First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, No. 2023QY13 (to YX)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
液晶显示光固化打印：液晶显示打印技术是近几年出现的光固化打印新技术，主要利用液晶显示技术和光固化技术相结合进行打印，通过控制液晶显示屏的透过和阻挡来控制光的照射，从而使光敏材料固化成特定形状的物体。
聚多巴胺：多巴胺是一种神经递质，在特定条件下可以发生氧化自聚形成聚多巴胺，由于聚多巴胺具有易于制备和修饰、黏附性强、生物相容性好、光热转换性能卓越、荧光猝灭性等优点，目前已被作为表面改性的通用聚合物。
背景：聚乳酸因具有良好的生物相容性和可控的降解速率在生物医学工程中得到了广泛应用，然而存在机械强度低和生物活性不足等缺陷，限制了其在骨组织工程中的进一步应用。
目的：构建聚乳酸/聚多巴胺/钽(PLA/PDA/Ta)骨组织工程支架，探究其生物安全性和体外促成骨性能。
方法：利用液晶显示光固化技术制备具有多孔结构的聚乳酸(PLA)支架，将PLA支架分别浸泡在多巴胺溶液与多巴胺-纳米钽混合溶液中分别制备聚乳酸/聚多巴胺(PLA/PDA)支架、PLA/PDA/Ta支架，表征支架的微观形貌与水接触角。将MC3T3-E1细胞分别与PLA、PLA/PDA、PLA/PDA/Ta支架共培养，进行CCK-8检测与活/死细胞染色；成骨诱导分化后，进行碱性磷酸酶、茜素红染色及成骨基因检测。
结果与结论：①扫描电镜下可见3种支架均具有互连的多孔三维结构，平均孔径为200 μm；PLA/PDA/Ta支架的水接触角低于PLA、PLA/PDA支架(P < 0.05)；②CCK-8检测显示，相较于PLA、PLA/PDA支架，PLA/PDA/Ta支架可促进细胞的增殖(P < 0.05)；活/死细胞染色显示3组细胞增殖良好；③碱性磷酸酶与茜素红染色显示，相较于PLA、PLA/PDA支架，PLA/PDA/Ta支架可促进细胞碱性磷酸酶的表达与矿化结节形成；RT-qPCR检测显示，相较于PLA、PLA/PDA支架，PLA/PDA/Ta支架可促进细胞骨形态发生蛋白、Runx-2及Ⅰ型胶原mRNA的表达(P < 0.05，P < 0.01)；④结果表明，PLA/PDA/Ta支架具有优异的促细胞增殖与成骨活性。
https://orcid.org/0009-0008-5670-9306(李明哲)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 液晶显示光固化打印, 聚乳酸, 聚多巴胺, 纳米钽, MC3T3-E1细胞, 骨组织工程支架

Abstract: BACKGROUND: Polylactic acid (PLA) has good biocompatibility and a controllable degradation rate and is currently widely used in biomedical engineering. However, PLA has shortcomings such as low mechanical strength and insufficient biological activity, which limits its further application in bone tissue engineering.
OBJECTIVE: To construct polylactic acid/polydopamine/tantalum (PLA/PDA/Ta) bone tissue engineering scaffolds, and explore their biosafety and in vitro osteogenesis.
METHODS: A PLA scaffold with a porous structure was prepared through liquid crystal display light-curing technology. PLA/PDA scaffolds and PLA/PDA/Ta scaffolds were prepared by soaking PLA scaffolds in dopamine solution and dopamine-tantalum nanoparticle solution, respectively. The microstructure and water contact angle of scaffolds were characterized. MC3T3-E1 cells were co-cultured with PLA, PLA/PDA, and PLA/PDA/Ta scaffolds, respectively, and CCK-8 assay and live/dead cell staining were performed. After osteogenic differentiation, alkaline phosphatase, alizarin red staining, and osteogenic gene detection were performed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The scanning electron microscope results exhibited that the three kinds of prepared scaffolds had an interconnected porous three-dimensional structure, and the average pore diameter was 200 μm. The water contact angle of PLA/PDA/Ta scaffolds was lower than that of PLA and PLA/PDA scaffolds (P < 0.05). (2) CCK-8 assay showed that compared with PLA and PLA/PDA scaffolds, PLA/PDA/Ta scaffolds could promote cell proliferation (P < 0.05). Live/dead cell staining showed good cell proliferation in the three groups. (3) Alkaline phosphatase and alizarin red staining showed that compared with PLA and PLA/PDA scaffolds, PLA/PDA/Ta scaffolds could promote the expression of alkaline phosphatase and the formation of mineralized nodules. RT-qPCR showed that compared with PLA and PLA/PDA scaffolds, PLA/PDA/Ta scaffolds could enhance the mRNA expression of cell bone morphogenetic protein, Runx-2, and type I collagen (P < 0.05, P < 0.01). (4) The results showed that the PLA/PDA/Ta scaffold had excellent osteogenic activity and the ability to promote cell proliferation.

Key words: liquid crystal display light curing printingpolylactic acid, polydopamine, nano-tantalum, MC3T3-E1 cell, bone tissue engineering scaffold

中图分类号:

李明哲, 叶翔凌, 王冰, 余翔. 负载纳米钽的液晶显示光固化聚乳酸支架制备及促成骨性能[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(4): 670-677.

Li Mingzhe, Ye Xiangling, Wang Bing, Yu Xiang. Preparation and osteogenic properties of liquid crystal display light-cured polylactic acid scaffold loaded with nano-tantalum [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(4): 670-677.

图/表（结果） 8

2.1 各组支架形貌及表面元素分析 3组支架表面的宏观结构与微观形貌，见图1。扫描电镜下可见3组支架均具有规则的互连多孔结构，支架平均孔径均为200 μm，高分辨率扫描电镜图像显示多巴胺的沉积使支架表面变得粗糙，同时可见Ta在PLA/PDA/Ta支架沉积。

能谱仪检测元素分析结果表明，PLA/PDA/Ta支架成功检测到Ta峰，表明纳米Ta成功固定在PLA支架表面，见图2A；通过对PLA/PDA/Ta支架表面元素(Ta、C、O)进行分析，Ta元素占2.56%，C元素占61.62%，O元素占35.82%，见图2B。

2.2 各组支架的水接触角比较图3显示了3组支架的水接触角代表性图像。PLA支架的平均水接触角为(113.17±2.74)°，属于疏水材料；PLA/PDA支架的平均水接触角为(56.00±2.09)°，属于亲水材料，并且亲水性强于PLA支架；PLA/PDA/Ta支架的平均水接触角为(33.00±0.30)°，属于亲水材料，并且亲水性强于PLA/PDA支架。

2.3 各组支架的细胞相容性
2.3.1 细胞增殖检测图4显示出C3T3-E1细胞在与3组支架共培养1，3，5 d的增殖情况。从总体上看，相较于第1天时，各组MC3T3-E1细胞在第3，5天时均有明显增殖。共培养第1，3天时，3组细胞增殖比较差异无显著性意义(P > 0.05)。共培养第5天，PLA/PDA组细胞增殖优于PLA组(P < 0.05)，PLA/PDA/Ta组细胞增殖优于PLA/PDA组(P < 0.05)。

2.3.2 活/死细胞染色图5显示了3支架分别与MC3T3-E1细胞体外培养24，48 h的活/死染色代表图片。可以看到，各组支架均可见大量存活的MC3T3-E1细胞(呈绿色荧光点)，未见死亡的MC3T3-E1细胞(呈红色荧光点)，并且相较于第24小时时，各组MC3T3-E1细胞在第48小时均有明显增殖，这与CCK-8检测结果相一致。实验结果表明各组支架均具有良好的细胞相容性，不会抑制MC3T3-E1细胞的增殖。

2.4 各组支架的体外促成骨性能
2.4.1 茜素红染色及定量分析图6A显示了MC3T3-E1细胞与3组支架成骨诱导培养5，10 d后的茜素红染色的代表性图像。与其他两组相比，PLA/PDA/Ta组MC3T3-E1细胞加入纳米Ta后产生大量钙晶体，逐渐融合成簇并被染色液深度染色，形成最大的钙结节红色染色面积和最多的矿化结节。茜素红染色半定量分析显示，PLA/PDA/Ta组、PLA/PDA组的茜素红染色吸光度值均高于PLA组(P < 0.05，P < 0.01)，并且以PLA/PDA/Ta组茜素红染色吸光度值最高(图6B)。上述数据表明，PLA/PDA/Ta支架表现出更加优异的成骨诱导性。

2.4.2 碱性磷酸酶染色图7显示了MC3T3-E1细胞与3组支架成骨诱导培养10 d后的碱性磷酸酶染色代表性图像，PLA组细胞染色为淡紫色，PLA/PDA支架组染色更深且呈深紫色，PLA/PDA/Ta组细胞染色颜进一步加深且染成蓝色细胞的数量更多。这一结果表明，随着支架表面释放的Ta可以促进MC3T3-E1细胞的成骨分化。

2.4.3 RT-qPCR检测成骨相关基因表达图8显示了MC3T3-E1细胞与3组支架成骨诱导培养10 d后的成骨相关基因检测结果。PLA/PDA组骨形态发生蛋白2、Runx-2和Ⅰ型胶原 mRNA表达量高于PLA组(P < 0.05)，PLA/PDA/Ta组骨形态发生蛋白2、Runx-2和Ⅰ型胶原mRNA表达高于PLA/PDA组(P < 0.05)。

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引言

多种创伤和病症都可能导致大片骨组织缺失，包括创伤、骨肿瘤切除术后和先天畸形等[1]。骨组织具有强大的自愈合能力，但如果损伤程度过大则自愈合可能无法发生，从而导致骨的不愈合或持续性的骨缺损[2-3]。
传统的骨再生治疗方法主要包括自体骨、同种异体骨和人工骨移植，虽然这些方法有助于骨缺损的治疗，但它们也往往伴随着各种缺点，例如：自体移植物体积有限，同种异体骨存在疾病传播以及免疫排斥风险、感染及长期植入失败风险[4]，因此骨缺损的有效再生仍然是一个重大临床挑战，迫切需要开发新的有效的骨缺损治疗方法。
骨组织工程旨在匹配自体移植物的治疗效果，同时不受移植物可用性的限制，并且与同种异体移植物相比还避免了排斥和疾病传播的风险[5]。近年来，通过3D打印技术生产各种骨组织工程支架为骨缺损的治疗提供了一种有效策略[6]。3D打印技术使得制备高精度、结构复杂的骨组织工程支架成为可能[7]。通过精确控制孔径和孔结构，3D打印骨组织工程支架可以为种子细胞提供稳定的微环境[8]，目前包括天然聚合物、金属和陶瓷等多种材料已经用于3D打印骨组织工程支架的制备[9]。
聚乳酸(polylactic acid，PLA)是最有前途的生物聚合物之一，合成方法和性能已被广泛研究[10]。由于良好的生物相容性和可控的降解速率，PLA在生物医学工程中得到了广泛应用，如手术缝合线、骨钉等，然而机械强度低、韧性差、生物活性不足等缺陷限制了PLA在骨组织工程中的进一步应用[11]。纳米钽(Ta)作为一种新型修复材料具有良好的生物相容性和理化性能[12]，可以有效促进成骨细胞的增殖、分化和矿化[13]。Ta的纳米结构较微米结构也更有利于成骨细胞的生长，将纳米级Ta作为表面涂层应用于骨组织工程支架有利于增强材料的生物学性能[14-16]。然而由于3D打印支架的多孔结构，纳米Ta很难均匀地固定在支架的表面。多巴胺是一种天然儿茶酚物质，其表面含有许多官能团，在碱性条件下可氧化、自聚合形成聚多巴胺(polydopamine，PDA)[17]，PDA具有很强的黏附力，几乎可以黏附大多数有机或无机表面[18-19]。由于PDA上丰富的官能团，不仅可促进磷酸钙生物矿物质的形成，还促进骨细胞的增殖和迁移[20-22]。
为了开发具有适当微观结构、生物相容性和促成骨活性的骨组织工程支架，此次实验使用液晶显示光固化系统制造3D打印PLA支架，然后通过多巴胺的自聚合过程将纳米Ta和PDA沉积在3D打印支架表面，综合评估支架的物理性能、体外生物安全性及成骨活性，以期为修复骨缺损提供有前景的骨组织替代品。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计支架制备、材料表征和细胞学实验，组间比较采用单因素方差分析(one way ANOVA test)，事后进行Dunn’s检验。
1.2 时间及地点实验于2022年3月至2023年9月在广州中医药大学完成。
1.3 材料
1.3.1 支架原料 PLA(液晶显示光固化生物基PLA，易生新材料有限公司，中国)；纳米Ta(60 nm，上海麦克林生化科技股份有限公司，中国)；分散剂(KH-550型硅烷偶联剂，南京创世化工助剂有限公司，中国)；多巴胺(南京创世化工助剂有限公司，中国)。
1.3.2 细胞、仪器和试剂 MC3T3-E1小鼠胚胎成骨细胞(Cyagen Biosciences公司，美国)；高精度液晶显示3D打印机(LD-002R，创翔三维公司，中国)；超净工作台(JSM-IT300，苏州安泰空气技术有限公司，中国)；倒置荧光显微镜(DMI4000B，Leica公司，德国)；CO2恒温培养箱(Forma-3111，Thermo Scientific公司，美国)；台式离心机(4200，KUBOTA公司，日本)；多动能酶标仪(Multiskan GO，Thermo Scientific公司，美国)；扫描电子显微镜SEM(MIRA LMS，TESCAN公司，捷克)；接触角/表面张力测量仪(LSA100，Lauda Scientific公司，德国)；实时荧光定量PCR仪(Bio-RAD公司，美国)；胎牛血清(Gibco公司，美国)；MEM-α培养基(Gibco公司，美国)；CCK-8试剂盒(Biosharp公司，中国)；活/死细胞双染试剂盒(BestBio公司，中国)；成骨诱导液(Pythonbio公司，中国)；茜素红染色液(Solarbio公司，中国)；氯化十六烷吡啶(天津科密欧公司，中国)；碱性磷酸酶检测试剂盒(Beyotime公司，中国)；总RNA提取试剂盒(Accutate Biology公司，中国)；反转录试剂盒(Accutate Biology公司，中国)。
1.4 实验方法
1.4.1 制备PLA支架使用SolidWorks(Dassault Systemes S.A，法国)软件设计3D打印支架，使用CHITUBOX(CBD-Tech，中国)软件对支架模型进行切片，完成后将设置参数导入电脑，具体参数为：层高为0.05 mm，底部提升距离为5 mm，提升距离为5 mm，底层数为2层，曝光时间为1 s，底部曝光时间为12 s，底部提升速度为50 mm/min，提升速度为50 mm/min，缩回速度为150 mm/min。将PLA光敏材料倒入高精度液晶显示-3D打印机的树脂槽中，借助电脑和显示屏，使紫外光穿过透明区域照射树脂槽内的感光树脂，PLA树脂材料被暴露并逐层固化成3D支架。随后成功制备出直径10 mm、高度6 mm、打印丝直径400 µm、丝间距200 µm的3D支架。然后将支架放入超声波清洗机中30 min，用吹风机吹干，放入二次固化机中固化15 min，用PBS清洗后备用。
1.4.2 制备PLA/PDA与PLA/PDA/Ta支架将400 mg的多巴胺溶解在含有体积分数5%Tris 缓冲溶液(1 mol/L，pH=8.5)的200 mL ddH2O中，然后将纳米Ta(0.362 g，10 mmol/L)添加到溶液中。将制备好的PLA支架中分别浸入多巴胺、多巴胺-纳米Ta混合溶液中并暴露在空气中室温下以500 r/min搅拌24 h。用ddH2O反复清洗支架，分别得到PLA/PDA、PLA/PDA/Ta支架。
1.4.3 支架的表征
表面微观形貌：各组支架在真空下干燥、喷金后，利用扫描电镜观察支架的表面形貌。随后，采用能谱仪对支架表面元素进行定量分析。
水接触角分析：使用接触角/表面张力测量仪测量各组支架的亲水性。将2 mL去离子水沉积在3组支架上，然后在几秒钟内获得静态液相沉积的图像并测量水接触角。每组评估3个样品。
1.4.4 细胞培养复苏小鼠MC3T3-E1细胞后，用MEM-α完全培养基(含体积分数10%胎牛血清和1%双抗)培养并置于细胞培养箱(37 ℃，体积分数5%CO2)中，隔天更换培养基，显微镜下观察细胞生长状态。实验所用的MC3T3-E细胞为3-6代。
1.4.5 支架的细胞相容性
细胞与支架共培养：将3组支架样品浸泡在体积分数75%医用乙醇中消毒2 h，随后使用PBS清洗2次，自然空气干燥。将消毒后的3组支架分别置入24孔细胞培养板中，每组设置6个平行孔，随后将400 μL的MC3T3-E1细胞悬液接种于24孔板中，细胞密度为1×104/孔。
细胞增殖实验：共培养1，3，5 d后，使用CCK-8试剂盒评估细胞增殖活力，每孔加入40 μL的CCK-8溶液(培养基以CCK-8为体积比为10∶1)孵育2 h，吸取上清液在波长为450 nm波长处测量吸光度值。活/死细胞染色：共培养24，48 h后，吸弃培养基并用PBS洗涤，向每孔中加入配置好的活/死细胞染色液室温避光孵育30 min，荧光显微镜下记录MC3T3-E1细胞的荧光图像。
1.4.6 支架的体外促成骨性能
茜素红染色：将3组支架样品浸泡在体积分数75%医用乙醇中消毒2 h，随后使用PBS清洗2次，自然空气干燥。将消毒后的3组支架分别置入24孔细胞培养板中，每组设置3个平行孔，随后将400 μL的MC3T3-E1细胞悬液接种于24孔板中，细胞密度为1×104/孔。共培养24 h后更换为成骨诱导液。成骨诱导培养5，10 d后，用PBS洗涤后40 g/L多聚甲醛固定30 min，加入茜素红染色液室温下染色2 h，显微镜下观察细胞并拍照。同时，将氯化十六烷基吡啶加入至磷酸氢二钠中，配制浓度为10%的氯化十六烷基吡啶溶液；将茜素红染色完的孔板晾干，并加入配置好的氯化十六烷基吡啶溶液洗脱1 h，吸取上清液，在波长为562 nm波长处测量吸光度值。
碱性磷酸酶染色：分组及处理方法同茜素红染色。成骨诱导10 d后，使用碱性磷酸酶显色试剂盒在室温下染色24 h，除去碱性磷酸酶染色工作液并用PBS洗涤，显微镜下观察细胞并拍照。

RT-qPCR检测成骨相关基因表达：将消毒后的3组支架分别放入6孔细胞培养板中，随后将MC3T3-E1细胞接种于6孔细胞培养板中，细胞密度为2×104/孔。共培养24 h后更换为成骨诱导液。成骨诱导培养10 d后，按照试剂盒的操作步骤，使用总RNA提取试剂盒提取细胞总RNA，随后使用超微量分光光度计对样品的RNA浓度进行测定。使用反转录试剂盒将RNA反转录为cDNA，准备qPCR预混反应混合物，将qPCR反应混合物加载到PCR管中，将反应混合物置于热循环PCR仪中进行扩增，之后对骨形态发生蛋白2、Runx-2和Ⅰ型胶原mRNA表达水平进行定量分析。引物序列见表1。

1.5 主要观察指标 3组支架的微观形貌及Ta元素分布、亲水性、体外生物相容性与体外促成骨性能。
1.6 统计学分析数据使用SPSS 25.0软件进行数据分析。若方差齐，采用单因素方差分析(one way ANOVA test)；若方差不齐，则采用Tukey多重比较进行分析；事后进行Dunn’s检验。当P < 0.05时表示有显著性意义，P < 0.01表示差异有非常显著性意义。所得实验数据以x±s表示。该文统计学方法已经由广州中医药大学第一附属医院统计学专家审核。

讨论

骨组织工程是一种新兴的用于治疗骨缺损的方法，它引入了外源性支架，并且通过持续提供生物活性因子来促进细胞的迁移、生长和增殖[23]。而3D打印技术的不断发展进一步扩大了骨组织工程的应用前景。目前，骨组织工程应用最广泛的3D打印方法主要包括熔融沉积成型、选择性激光烧结和立体光刻。液晶显示技术是一种新兴的光敏树脂紫外固化成型3D打印技术[24]，与早期的立体光刻打印技术相比，该技术不仅可以实现快速成型，而且能够实现较高的打印精度，对支架的尺寸和表面结构更加可控[25-27]。此次实验通过液晶显示光固化打印技术成功制备了3D打印PLA支架，所制备的支架具有良好的互通结构，这将有利于促进氧气和营养物质的交换，为细胞生长提供良好的微环境。
近年来在多巴胺或其他儿茶酚胺存在下，通过氧化条件对材料表面进行涂层以产生“PDA”膜已成为一种流行、简单且通用的涂层方法[28]。PDA具有强大的吸附力，可以吸附在几乎所有固体物质的表面并形成PDA涂层。由于PDA能提供丰富的化学物质，允许用金属纳米颗粒或蛋白质等对所获得的涂层进行功能化，因此吸附在材料表面的PDA可以作为一个反应“桥梁”，其通过迈克尔加成或希夫碱反应在材料表面吸入蛋白质、纳米颗粒、聚合物和生物大分子等[29-30]。为了进一步提高3D打印PLA支架的生物学性能，通过多巴胺的自聚合过程将纳米Ta和PDA沉积在PLA支架表面上，形成PLA/PDA/Ta支架。通过高分辨率扫描电镜图像观察到多巴胺的沉积使PLA支架表面变得粗糙，这有利于细胞的黏附和迁移。根据能谱分析元素图可知，PLA/PDA/Ta支架中检测到Ta峰，表明纳米Ta成功固定在PLA支架表面。水接触角测试结果表明，PDA和纳米Ta的沉积显著增强了PLA支架的亲水性，这也会显著影响细胞在支架表面的黏附和增殖行为，这主要是由于PDA中含有大量的氨基和羟基等亲水性官能团，PDA在材料表面的沉积可为疏水表面提供亲水基团，从而显著提高疏水材料的亲水性能[31]。
生物相容性是评估生物材料将来应用在骨科临床的重要指标，因此生物相容性评价是生物医用材料的重要组成部分，也是首先需要进行评估的对象[32]。通过活/死细胞染色实验证实各组支架均对MC3T3-E1细胞无毒性。通过细胞增殖实验进一步发现，PLA/PDA支架和PLA/PDA/Ta支架相较于PLA支架可促进细胞的增殖，其中PLA/PDA/Ta支架的促细胞增殖作用更为明显。QI等[33]研究发现，具有PDA涂层修饰的3D打印多孔功能复合支架有利于促进细胞增殖，PDA涂层可以通过显著增加多孔支架的亲水性和微观粗糙度来促进细胞增殖并促进细胞黏附。此外，GUO等[34-35]的研究表明，Ta可以促进细胞增殖，这可能与Ta本身产生较低的活性氧水平有关，相较于其他金属，Ta表面周围可以获得更有利的生物环境。
成骨分化特性对于评估生物材料修复骨缺损的成功与否至关重要[36]。此次实验通过茜素红染色及定量、碱性磷酸酶染色及成骨相关基因表达检测与不同支架共培养MC3T3-E1细胞的成骨分化情况。碱性磷酸酶是成骨过程中重要的早期成骨酶，是成骨分化的典型标志物[37]。此次实验结果表明，PLA/PDA/Ta组细胞碱性磷酸酶活性显著升高，茜素红染色半定量结果也表明PLA/PDA/Ta组促进了MC3T3-E1细胞的成骨分化。此外为了进一步研究多孔PLA/PDA/Ta支架对MC3T3-E1细胞成骨分化的作用，评估了成骨相关基因的表达。骨形态发生蛋白是一种诱导和促进骨组织形成的生长因子，可以诱导骨髓间充质干细胞分化为软骨细胞和成骨细胞，尤其是骨形态发生蛋白2目前被公认为骨形态发生蛋白家族中最强的成骨生长因子，具有较强的成骨能力和显著促进骨髓间充质干细胞分化为成骨细胞的能力[38]。Runx-2是一种对于成骨细胞和破骨细胞分化以及骨重塑至关重要的转录因子，通过调控成骨细胞分化、基质合成和骨基质矿化等过程促使新骨组织的形成[39]。Ⅰ型胶原是骨基质的主要结构蛋白，在骨愈合的初期阶段它形成纤维状结构，为新生的骨提供支撑，帮助形成初始的骨结构，为骨组织提供了结构支持和机械强度[40]。
此次实验结果表明，PLA/PDA/Ta支架的骨形态发生蛋白2、Runx-2和Ⅰ型胶原mRNA表达显著高于另外2组，这些基因的上调表明PLA/PDA/Ta支架促进了MC3T3-E1细胞的成骨分化。此外，PLA/PDA/Ta支架表面亲水性的改善可能在细胞成骨分化中发挥重要作用，然而这一结果还需要进一步研究。PLA/PDA/Ta支架具有优越的促进成骨细胞分化能力，可能与液晶显示光固化打印增材制造技术相关，该技术使得支架具有良好的孔隙连通性和规则的孔径；纳米Ta本身的生物活性也在这一过程中发挥着重要作用。研究表明，Ta可以激活整合素a5b1/ERK1/2、Wnt/β-catenin、丝裂原激活蛋白激酶和骨形态发生蛋白信号通路，刺激新骨形成[41]。当Ta浸泡在模拟体液中时可以在表面形成Ta-OH基团，并进一步与Ca2+和磷酸根离子结合促进磷灰石形成[42]。以上研究结果表明，PLA/PDA/Ta支架可以增强骨矿化和成骨分化，然而目前这项研究仍处于体外阶段，PLA/PDA/Ta支架的生物学功能也有待进一步研究，并对其机制进行更深入的探讨。未来应更深入地研究PLA/PDA/Ta支架在应力和负载下的行为，以优化其设计，一方面要对支架的降解行为进一步探究，另一方面其生物力学也应纳入研究，这样才能设计出更加符合临床需求的骨支架。
综上所述，实验通过液晶显示光固化设计并制造了3D打印PLA支架，并利用PDA的沉积在支架表面复合了纳米Ta，从而制备了PLA/PDA/Ta支架，该支架具有多孔结构，并且表现出良好的生物相容性，增强了成骨细胞的成骨分化能力。因此，具有合适结构及优异生物活性的PLA/PDA/Ta支架可满足骨再生和组织修复的初步需求，可能成为未来骨修复潜在的骨替代材料。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

负载纳米钽的液晶显示光固化聚乳酸支架制备及促成骨性能

Preparation and osteogenic properties of liquid crystal display light-cured polylactic acid scaffold loaded with nano-tantalum

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