磁性生物活性玻璃支架的磁热抗肿瘤与促成骨性能

doi:10.12307/2026.630

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (14): 3494-3503.doi: 10.12307/2026.630

• 组织工程骨材料 tissue-engineered bone • 上一篇下一篇

磁性生物活性玻璃支架的磁热抗肿瘤与促成骨性能

李青山1，2，李润萌2，高宇阳2，韩纲1，3，陈继营1，郭全义1，2

解放军医学院，北京市 100853；解放军总医院第四医学中心，2骨科研究所，国家骨科与运动康复临床医学研究中心，骨科再生医学北京市重点实验室，全军骨科战创伤重点实验室，3骨肿瘤科，北京市 100853

收稿日期:2025-03-21 接受日期:2025-06-12 出版日期:2026-05-18 发布日期:2025-09-06
通讯作者: 郭全义，博士，主任医师，教授，解放军医学院，北京市100853；解放军总医院第四医学中心骨科研究所，国家骨科与运动康复临床医学研究中心，骨科再生医学北京市重点实验室，全军骨科战创伤重点实验室，北京市 100853 陈继营，博士，主任医师，教授，解放军医学院，北京市 100853
作者简介:李青山，男，2000年生，湖南省邵阳市人，汉族，解放军医学院在读硕士，主要从事骨与软骨组织工程修复研究。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2021YFC2400504)，项目负责人：韩纲

Magnetocaloric antitumor and osteogenic properties of magnetic bioactive glass scaffolds

Li Qingshan1, 2, Li Runmeng2, Gao Yuyang2, Han Gang1, 3, Chen Jiying1, Guo Quanyi1, 2

1Chinese People's Liberation Army Medical School, Beijing 100853, China; 2Institute of Orthopedics, Fourth Medical Center of Chinese PLA General Hospital, National Clinical Research Center for Orthopedics and Sports Rehabilitation, Beijing Key Laboratory of Orthopedic Regenerative Medicine, Key Laboratory of Musculoskeletal Trauma & War Injuries, Beijing 100853, China; 3Department of Bone Tumors, Fourth Medical Center of Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

Received:2025-03-21 Accepted:2025-06-12 Online:2026-05-18 Published:2025-09-06
Contact: Guo Quanyi, MD, Chief physician, Professor, Chinese People's Liberation Army Medical School, Beijing 100853, China; Institute of Orthopedics, Fourth Medical Center of Chinese PLA General Hospital, National Clinical Research Center for Orthopedics and Sports Rehabilitation, Beijing Key Laboratory of Orthopedic Regenerative Medicine, Key Laboratory of Musculoskeletal Trauma & War Injuries, Beijing 100853, China Chen Jiying, MD, Chief physician, Professor, Chinese People's Liberation Army Medical School, Beijing 100853, China
About author:Li Qingshan, Master candidate, Chinese People's Liberation Army Medical School, Beijing 100853, China; Institute of Orthopedics, Fourth Medical Center of Chinese PLA General Hospital, National Clinical Research Center for Orthopedics and Sports Rehabilitation, Beijing Key Laboratory of Orthopedic Regenerative Medicine, Key Laboratory of Musculoskeletal Trauma & War Injuries, Beijing 100853, China
Supported by:
National Key Research & Development Program, No. 2021YFC2400504 (to HG)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
生物活性玻璃支架：是一种用于骨组织工程的支架材料，具有良好的生物相容性。生物活性玻璃支架植入人体后会与体液反应，逐渐降解的同时释放硅、钙、磷等离子，形成与人体骨骼成分相近的羟基磷灰石层，促进成骨细胞的黏附和骨再生。
磁热效应：磁性纳米颗粒在交变磁场作用下可产生热效应，为抗肿瘤治疗提供了一种新策略。这种热疗方法具有非侵入性、低毒性、局部产热和高穿透性的特点，为深部组织疾病的治疗提供了一种新的、有效的方法。

背景：随着组织工程的发展，设计一种能够抗肿瘤预防复发和具有良好成骨性能的生物活性支架具有重要意义。
目的：评估负载磁性水凝胶硼硅酸盐生物活性玻璃支架的生物相容性、磁热抗肿瘤性能及促成骨分化潜力。
方法：通过复合甲基丙烯酸酐化明胶与磁性四氧化三铁纳米颗粒制备磁性水凝胶，将磁性水凝胶负载于硼硅酸盐生物活性玻璃支架上制备磁性生物活性玻璃支架，表征磁性生物活性玻璃支架的形貌与磁热性能。采用硼硅酸盐生物活性玻璃支架、磁性生物活性玻璃支架浸提液分别培养大鼠骨髓间充质干细胞，通过CCK-8实验与死活染色评估支架的生物相容性；成骨诱导后，通过碱性磷酸酶染色、茜素红染色、成骨基因表达qRT-PCR检测评估支架的促成骨性能。将人骨肉瘤细胞分别与硼硅酸盐生物活性玻璃支架、磁性生物活性玻璃支架与交变磁场干预下的磁性生物活性玻璃支架共培养，通过CCK-8实验、死活染色、流式细胞凋亡检测评估支架的抗肿瘤性能。
结果与结论：①扫描电镜下可见携带磁性纳米颗粒水凝胶稳定负载在硼硅酸盐生物活性玻璃支架孔隙中，磁滞曲线和磁热曲线显示磁性生物活性玻璃支架具备良好的磁热性能；②CCK-8实验和死活染色实验显示，磁性生物活性玻璃支架与硼硅酸盐生物活性玻璃支架无明显的细胞毒性，均可促进大鼠骨髓间充质干细胞的增殖，其中磁性生物活性玻璃支架的促进作用更明显；成骨诱导条件下，两组支架均可促进大鼠骨髓间充质干细胞的成骨分化，提升骨钙素和Runx2的mRNA表达，其中磁性生物活性玻璃支架的促进作用更明显；③CCK-8实验、死活染色、流式细胞凋亡检测显示，与硼硅酸盐生物活性玻璃支架、磁性生物活性玻璃支架相比，交变磁场干预下的磁性生物活性玻璃支架可抑制人骨肉瘤细胞的增殖活性、诱导细胞凋亡。结果表明：磁性生物活性玻璃支架具备良好的磁热性能、促成骨性能与抗肿瘤性能。
https://orcid.org/0009-0005-2174-2139(李青山)

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: 四氧化三铁纳米颗粒">, 水凝胶">, 磁热性能">, 硼硅酸盐">, 生物活性玻璃支架">, 抗肿瘤">, 成骨

Abstract: BACKGROUND: With the development of tissue engineering, it is of great significance to design a bioactive scaffold that prevents tumor recurrence and possesses good osteogenic properties.
OBJECTIVE: To evaluate the biocompatibility, magnetic thermal antitumor properties, and osteogenic differentiation potential of borosilicate bioactive glass scaffolds loaded with magnetic hydrogels.
METHODS: Magnetic hydrogels were prepared by combining methacrylated gelatin with magnetic ferric oxide nanoparticles and were loaded onto borosilicate bioactive glass scaffolds to create magnetic bioactive glass scaffolds. The morphology and magnetothermal properties of the magnetic bioactive glass scaffolds were characterized. Rat bone marrow mesenchymal stem cells were cultured with borosilicate bioactive glass scaffolds and magnetic bioactive glass scaffold extracts, respectively. The biocompatibility of the scaffolds was evaluated by CCK-8 assay and live/death staining. After osteogenic induction, the osteogenic properties of the scaffolds were evaluated by alkaline phosphatase staining, alizarin red staining, and qRT-PCR detection of osteogenic gene expression. Human osteosarcoma cells were co-cultured with borosilicate bioactive glass scaffolds, magnetic bioactive glass scaffolds, and magnetic bioactive glass scaffolds under alternating magnetic field intervention. The anti-tumor properties of the scaffolds were evaluated by CCK-8 assay, live/death staining, and flow cytometry apoptosis detection.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Scanning electron microscopy showed that the hydrogel carrying magnetic nanoparticles was stably loaded in the pores of the borosilicate bioactive glass scaffold. The hysteresis and magnetic thermal curves indicated that the magnetic bioactive glass scaffolds exhibited good magnetic thermal properties. (2) CCK-8 assay and live/dead staining the magnetic bioactive glass scaffold and the borosilicate bioactive glass scaffold had no obvious cytotoxicity and both promoted the proliferation of rat bone marrow mesenchymal stem cells, among which the magnetic bioactive glass scaffold had a more obvious promoting effect. Under osteogenic induction conditions, both groups of scaffolds could promote the osteogenic differentiation of rat bone marrow mesenchymal stem cells and increase the mRNA expression of osteocalcin and Runx2, among which the magnetic bioactive glass scaffold had a more obvious promoting effect. (3) CCK-8 assay, live/death staining, and flow cytometry apoptosis detection showed that compared with the borosilicate bioactive glass scaffold and the magnetic bioactive glass scaffold, the magnetic bioactive glass scaffold under the intervention of alternating magnetic field could inhibit the proliferation activity of human osteosarcoma cells and induce cell apoptosis. The results showed that the magnetic bioactive glass scaffold had good magnetocaloric properties, osteogenic properties and anti-tumor properties.

Key words: ferric oxide nanoparticle">, hydrogel">, magnetic thermal property">, borosilicate">, bioactive glass scaffold">, antitumor">, osteogenesis

中图分类号:

李青山, 李润萌, 高宇阳, 韩纲, 陈继营, 郭全义. 磁性生物活性玻璃支架的磁热抗肿瘤与促成骨性能[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(14): 3494-3503.

Li Qingshan, Li Runmeng, Gao Yuyang, Han Gang, Chen Jiying, Guo Quanyi. Magnetocaloric antitumor and osteogenic properties of magnetic bioactive glass scaffolds[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(14): 3494-3503.

图/表（结果） 9

2.1 支架的大体观与微观结构大体观察可见磁性水凝胶成功负载在生物活性玻璃支架上，四氧化三铁纳米颗粒的引入使水凝胶颜色偏黄(图1A)；扫描电镜结果也同样显示磁性生物活性玻璃支架中的磁性水凝胶稳定负载在硼硅酸盐生物活性玻璃支架孔隙中(图1B)。
2.2 支架的磁热性能磁滞曲线(图2A)显示磁性生物活性玻璃支架具有超顺磁性特征，证明它具备良好的磁热潜能。磁热曲线证明，在交变磁场下磁性生物活性玻璃支架的温度能上升到57 ℃(图2B，C)，足以诱导肿瘤细胞凋亡和坏死，具备良好的磁热能力。

2.3 支架的磁热抗肿瘤能力
2.3.1 CCK-8实验结果培养24 h后，交变磁场干预下磁性生物活性玻璃支架组细胞吸光度值低于对照组、硼硅酸盐生物活性玻璃支架组和磁性生物活性玻璃支架组(P < 0.05)，对照组、硼硅酸盐生物活性玻璃支架组和磁性生物活性玻璃支架组细胞吸光度值比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见图3，证明磁性生物活性玻璃支架在交感磁场作用下具备抑制肿瘤细胞增殖的作用。
2.3.2 死活染色实验结果活死染色中，绿色荧光标记有活性的人骨肉瘤细胞，红色荧光标记死亡的人骨肉瘤细胞。与对照组、硼硅酸盐生物活性玻璃支架组和磁性生物活性玻璃支架组相比，交变磁场干预下磁性生物活性玻璃支架组可见大量死亡的人骨肉瘤细胞，显示出良好的抗肿瘤能力，见图4，表明磁热疗法是一种有效的杀死肿瘤的方式。
2.3.3 流式细胞凋亡实验结果流式细胞凋亡实验结果如图5所示。定量分析结果显示，交变磁场干预下磁性生物活性玻璃支架组(39.10%)细胞凋亡率高于对照组(0.19%)、硼硅酸盐生物活性玻璃支架组(0.15%)和磁性生物活性玻璃支架组(3.87%)，进一步证明了磁性生物活性玻璃支架通过磁热效应具备优秀的抗肿瘤能力。

2.4 支架的生物相容性
2.4.1 CCK-8实验结果培养1，3，5 d后，各组细胞吸光度值逐渐升高，硼硅酸盐生物活性玻璃支架组、磁性生物活性玻璃支架组培养1，3，5 d的细胞吸光度值均高于对照组(P < 0.01或P < 0.001)，磁性生物活性玻璃支架组培养3，5 d的细胞吸光度值高于硼硅酸盐生物活性玻璃支架组(P < 0.05或P < 0.001)，见图6。证明两组支架释放出适当的生物活性离子可促进大鼠骨髓间充质干细胞的增殖。
2.4.2 死活染色实验结果死活染色结果显示，各组大鼠骨髓间充质干细胞生长良好、形态正常，未见明显的死细胞，见图7，说明两种支架具有良好的生物相容性。

2.5 支架的促成骨性能
2.5.1 碱性磷酸酶染色与活性检测结果碱性磷酸酶染色显示，相较于对照组，两支架组蓝紫色染色面积更大、染色程度更深，并且以磁性生物活性玻璃支架组染色面积和染色程度优于硼硅酸盐生物活性玻璃支架组，如图8A显示。碱性磷酸酶活性定量分析结果显示，两支架组碱性磷酸酶活性高于对照组(P < 0.001)，磁性生物活性玻璃支架组碱性磷酸酶活性高于硼硅酸盐生物活性玻璃支架组(P < 0.05或P < 0.001)，见图8B，证明磁性生物活性玻璃支架具有更优秀的体外促成骨能力。磁性生物活性玻璃支架组碱性磷酸酶染色与活性检测结果优于硼硅酸盐生物活性玻璃支架组，这是由于引入了了磁性纳米颗粒，磁性纳米颗粒的降解促进了铁离子的释放，而适量铁离子进一步增强大鼠骨髓间充质干细胞的成骨分化能力。
2.5.2 茜素红染色结果茜素红染色显示，两支架组矿化结节形成数量明显多于对照组，磁性生物活性玻璃支架组矿化结节形成数量多于硼硅酸盐生物活性玻璃支架组，见图8A。茜素红染色钙结节定量分析显示，磁性生物活性玻璃支架组吸光度值明显高于硼硅酸盐生物活性玻璃支架组和对照组，见图8C。结果表明，磁性生物活性玻璃支架展现出更出色的促进大鼠骨髓间充质干细胞成骨分化性能。
2.5.3 成骨基因表达 qRT-PCR检测结果磁性生物活性玻璃支架组、硼硅酸盐生物活性玻璃支架组骨钙素和Runx2 mRNA表达均高于对照组，磁性生物活性玻璃支架组骨钙素和Runx2 mRNA表达高于硼硅酸盐生物活性玻璃支架组，见图9，从基因角度验证了磁性生物活性玻璃支架具备良好的促进大鼠骨髓间充质干细胞成骨分化的作用。值得注意的是，磁性生物活性玻璃支架组成骨基因表达水平较硼硅酸盐生物活性玻璃支架组要高，这是因为磁性纳米颗粒降解释放的铁离子可激活相关信号通路，协同生物活性玻璃支架释放的硅、钙等离子共同促进成骨相关基因的表达，从而增强干细胞的成骨分化能力。

参考文献

[1] HARRISON DJ, GELLER DS, GILL JD, et al. Current and future therapeutic approaches for osteosarcoma. Expert Rev Anticancer Ther. 2018;18(1):39-50.
[2] CHEN C, XIE L, REN T, et al. Immunotherapy for osteosarcoma: Fundamental mechanism, rationale, and recent breakthroughs. Cancer Lett. 2021;500:1-10.
[3] PAPAKONSTANTINOU E, STAMATOPOULOS A, I ATHANASIADIS D, et al. Limb-salvage surgery offers better five-year survival rate than amputation in patients with limb osteosarcoma treated with neoadjuvant chemotherapy. A systematic review and meta-analysis. J Bone Oncol. 2020;25:100319.
[4] JANEWAY KA, GRIER HE. Sequelae of osteosarcoma medical therapy: a review of rare acute toxicities and late effects. Lancet Oncol. 2010; 11(7):670-678.
[5] ZHAO X, WU Q, GONG X, et al. Osteosarcoma: a review of current and future therapeutic approaches. Biomed Eng Online. 2021;20(1):24.
[6] TANG Z, YU D, BAO S, et al. Porous Titanium Scaffolds with Mechanoelectrical Conversion and Photothermal Function: A Win-Win Strategy for Bone Reconstruction of Tumor-Resected Defects. Adv Healthc Mater. 2024;13(7):e2302901.
[7] LI C, ZHANG W, NIE Y, et al. Time-Sequential and Multi-Functional 3D Printed MgO2/PLGA Scaffold Developed as a Novel Biodegradable and Bioactive Bone Substitute for Challenging Postsurgical Osteosarcoma Treatment. Adv Mater. 2024;36(34):e2308875.
[8] LI L, HUANG Y, QIN J, et al. Development of a borosilicate bioactive glass scaffold incorporating calcitonin gene-related peptide for tissue engineering. Biomater Adv. 2022;138:212949.
[9] RAVANBAKHSH M, LABBAF S, KARIMZADEH F, et al. Mesoporous bioactive glasses for the combined application of osteosarcoma treatment and bone regeneration. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;104:109994.
[10] TIAN P, ZHAO L, KIM J, et al. Dual stimulus responsive borosilicate glass (BSG) scaffolds promote diabetic alveolar bone defectsrepair by modulating macrophage phenotype. Bioact Mater. 2023;26:231-248.
[11] JIN Y, LIU H, CHU L, et al. Initial therapeutic evidence of a borosilicate bioactive glass (BSG) and Fe3O4 magnetic nanoparticle scaffold on implant-associated Staphylococcal aureus bone infection. Bioact Mater. 2024;40:148-167.
[12] FAN M, REN Y, ZHU Y, et al. Borosilicate bioactive glass synergizing low-dose antibiotic loaded implants to combat bacteria through ATP disruption and oxidative stress to sequentially achieve osseointegration. Bioact Mater. 2024;44:184-204.
[13] CIRALDO FE, BOCCARDI E, MELLI V, et al. Tackling bioactive glass excessive in vitro bioreactivity: Preconditioning approaches for cell culture tests. Acta Biomater. 2018;75:3-10.
[14] FANG CH, TSAI PI, HUANG SW, et al. Magnetic hyperthermia enhance the treatment efficacy of peri-implant osteomyelitis. BMC Infect Dis. 2017;17(1):516.
[15] ALMUTAIRI LA, YU B, DYNE E, et al. Mild magnetic hyperthermia is synergistic with an antibiotic treatment against dual species biofilms consisting of S. aureus and P. aeruginosa by enhancing metabolic activity. Int J Hyperthermia. 2023;40(1):2226845.
[16] CAZARES-CORTES E, CABANA S, BOITARD C, et al. Recent insights in magnetic hyperthermia: From the “hot-spot” effect for local delivery to combined magneto-photo-thermia using magneto-plasmonic hybrids. Adv Drug Deliv Rev. 2019;138:233-246.
[17] LUKÁCSI S, MUNKÁCSY G, GYŐRFFY B. Harnessing Hyperthermia: Molecular, Cellular, and Immunological Insights for Enhanced Anticancer Therapies. Integr Cancer Ther. 2024;23:15347354241242094.
[18] AHMED K, ZAIDI SF, MATI-UR-REHMAN, et al. Hyperthermia and protein homeostasis: Cytoprotection and cell death. J Therm Biol. 2020;91:102615.
[19] 袁勋,丁振罡,付力伟,等.甲基丙烯酰化透明质酸/脱细胞华通胶水凝胶支架的制备与表征[J]. 中国组织工程研究,2024,28(22): 3517-3523.
[20] 赵红霞,孙政伟,韩阳,等.富血小板纤维蛋白复合甲基丙烯酰化明胶水凝胶的促成骨性能[J]. 中国组织工程研究,2025,29(4): 809-817.
[21] ZHOU B, JIANG X, ZHOU X, et al. GelMA-based bioactive hydrogel scaffolds with multiple bone defect repair functions: therapeutic strategies and recent advances. Biomater Res. 2023;27(1):86.
[22] JONES JR. Review of bioactive glass: from Hench to hybrids. Acta Biomater. 2013;9(1):4457-4486.
[23] MIGUEZ-PACHECO V, HENCH LL, BOCCACCINI AR. Bioactive glasses beyond bone and teeth: emerging applications in contact with soft tissues. Acta Biomater. 2015;13:1-15.
[24] 丁晶鑫,王会,崔旭,等.硼硅酸盐生物活性玻璃的研究现状与发展趋势[J].硅酸盐学报,2022,50(4):1074-1084.
[25] ŁUCZAK JW, PALUSIŃSKA M, MATAK D, et al. The Future of Bone Repair: Emerging Technologies and Biomaterials in Bone Regeneration. Int J Mol Sci. 2024;25(23):12766.
[26] FAUSKE L, BONDEVIK H, BRULAND ØS, et al. Negative and Positive Consequences of Cancer Treatment Experienced by Long-term Osteosarcoma Survivors: A Qualitative Study. Anticancer Res. 2015; 35(11):6081-6090.
[27] ZHANG X, WEI H, DONG C, et al. 3D printed hydrogel/bioceramics core/shell scaffold with NIR-II triggered drug release for chemo-photothermal therapy of bone tumors and enhanced bone repair. Chem Eng J. 2023;461:141855.
[28] MA Y, ZHANG B, SUN H, et al. The Dual Effect of 3D-Printed Biological Scaffolds Composed of Diverse Biomaterials in the Treatment of Bone Tumors. Int J Nanomedicine. 2023;18:293-305.
[29] VILAS-BOAS V, CARVALHO F, ESPIÑA B. Magnetic Hyperthermia for Cancer Treatment: Main Parameters Affecting the Outcome of In Vitro and In Vivo Studies. Molecules. 2020;25(12):2874.
[30] HAZARIKA KP, BORAH JP. Study of biopolymer encapsulated Eu doped Fe3O4 nanoparticles for magnetic hyperthermia application. Sci Rep. 2024;14(1):9768.
[31] CRISTOFOLINI L, SZCZEPANOWICZ K, ORSI D, et al. Hybrid Polyelectrolyte/Fe3O4 Nanocapsules for Hyperthermia Applications. ACS Appl Mater Interfaces. 2016;8(38):25043-25050.
[32] Vigata M, Meinert C, Hutmacher DW, et al. Hydrogels as Drug Delivery Systems: A Review of Current Characterization and Evaluation Techniques. Pharmaceutics. 2020;12(12):1188.
[33] NARAYANASWAMY R, TORCHILIN VP. Hydrogels and Their Applications in Targeted Drug Delivery. Molecules. 2019;24(3):603.
[34] ZHU M, WANG Y, FERRACCI G, et al. Gelatin methacryloyl and its hydrogels with an exceptional degree of controllability and batch-to-batch consistency. Sci Rep. 2019;9(1):6863.
[35] KONG Y, ZHANG X, MA X, et al. Silicon-substituted calcium phosphate promotes osteogenic-angiogenic coupling by activating the TLR4/PI3K/AKT signaling axis. J Biomater Appl. 2022;37(3):459-473.
[36] WANG C, LIN K, CHANG J, et al. Osteogenesis and angiogenesis induced by porous β-CaSiO(3)/PDLGA composite scaffold via activation of AMPK/ERK1/2 and PI3K/Akt pathways. Biomaterials. 2013;34(1):64-77.

引言

骨肉瘤是青少年和年轻人中最常见的原发性骨恶性肿瘤，表现出明显的局部侵袭性和全身转移倾向，给患者带来了巨大痛苦[1-2]。保肢手术联合新辅助化疗仍然是治疗骨肉瘤的主要临床方法[3]，然而，骨肉瘤切除引起的大面积骨缺损很难通过自然愈合过程修复，这降低了患者的生活质量；此外，骨缺损周围残留的骨肉瘤细胞可能导致肿瘤复发甚至转移。虽然化疗结合其他治疗在一定程度上降低了骨肉瘤复发风险，但高剂量化疗药物通常会带来严重的全身不良反应[4-5]。因此，设计一种兼顾抗肿瘤、预防肿瘤复发并具有良好成骨性能的多功能生物活性支架，具有重大的实际意义[6-7]。在组织工程和再生医学领域，硼硅酸盐生物活性玻璃支架因独特的生物相容性和生物活性受到广泛关注[8-10]。硼硅酸盐生物活性玻璃支架植入人体后能够与体液反应，逐渐降解并释放硅、钙、磷等离子，形成与人体骨骼成分相近的羟基磷灰石层，从而促进成骨细胞的黏附和骨再生[11-13]，是一种极具应用前景的骨移植替代材料。
磁热效应，即磁性纳米颗粒在交变磁场作用下产生热效应，为抗肿瘤治疗提供了一种新策略[14-15]。磁热疗方法具有非侵入性、低毒性、局部产热和高穿透性等特点，在深部组织肿瘤治疗中具有显著优势[16]。与正常细胞相比，肿瘤细胞对高温表现出更大的敏感性，磁热效应可以通过局部高温破坏肿瘤细胞，当达到一定的温度阈值时会导致肿瘤细胞的蛋白质变性，抑制肿瘤细胞DNA损伤的修复和肿瘤血管形成，降低肿瘤中缺氧细胞的比例，最终导致肿瘤细胞死亡[17-18]。
甲基丙烯酸酐化明胶水凝胶是一种由明胶和甲基丙烯酸酐反应得到的光交联水凝胶，具有良好的生物相容性、可见光固化和可控的力学性能特点。甲基丙烯酸酐化明胶水凝胶在组织工程、生物3D打印等领域有着广泛应用，可以作为细胞培养基质，支持细胞的黏附、增殖和分化，模拟细胞3D微环境；也可作为组织工程支架填充骨缺损或软组织缺损，促进组织的再生和修复[19-21]。另外，甲基丙烯酸酐化明胶还可以作为生物3D打印墨水，制造具有特定形状和功能的微型化组织结构或器官模型，并作为药物传递系统控制药物的释放或定位，实现按需治疗。在此次研究中，甲基丙烯酸酐化明胶水凝胶被用于包裹磁性四氧化三铁纳米颗粒，负载于硼硅酸盐生物活性玻璃支架上，以制备磁性生物活性玻璃支架。
此次研究旨在探讨磁性生物活性玻璃支架在磁热抗肿瘤性能、生物相容性和促成骨分化潜力方面的表现，全面评价磁性生物活性玻璃支架的性能，为该支架的体内实验及临床应用提供理论依据，为骨肉瘤治疗提供一种新的策略，以解决骨肉瘤切除后肿瘤复发和骨缺损难以修复的临床难题。

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 设计支架制备与表征，体外细胞实验。
1.2 时间及地点实验于2023年11月至2024年11月在中国人民解放军总医院骨科研究所完成。
1.3 材料大鼠骨髓间充质干细胞(赛业，中国，RASMX-01001)；人骨肉瘤细胞(普诺赛，中国，
CL-0360)；甲基丙烯酸酐化明胶(苏州永沁泉智能设备有限公司，中国)；苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂(苏州永沁泉智能设备有限公司，中国)；Fe3O4磁性纳米颗粒(阿拉丁，中国，I431738)；PBS、10%氯化十六烷基吡啶(索莱宝，中国)；高糖DMEM培养基、MEM培养基、胎牛血清、青霉素-链霉素双抗(Gibco公司，美国)；0.25%胰蛋白酶(Sigma公司，美国)；大鼠骨髓间充质干细胞成骨诱导分化试剂盒(赛业，中国，RAXMX-90021)；CCK-8试剂盒、Calcein-AM/PI死活染色试剂盒、Annexin V-FITC细胞凋亡检测试剂盒、Western及IP细胞裂解液(无抑制剂)、BCIP/NBT碱性磷酸酯酶显色试剂盒、碱性磷酸酶检测试剂盒、成骨细胞矿化结节染色试剂盒(茜素红S法)、40 g/L多聚甲醛(碧云天，中国)；预混实时荧光定量快速PCR反应体系(GenStar，加拿大)；扫描电子显微镜(Hitachi SU8010型，日本)；EPOCH TAKE 3酶标仪(BioTek公司，美国)；尼康显微镜(Nikon公司，日本)；超导量子干涉磁测量系统(SQUID/MPMS)(Quantum Design MPMS3型，美国)；流式细胞仪(DxFLEX，美国)；高频交感磁场感应加热装置(SPG800K2，中国)；红外热像仪(海康微影，中国)。
1.4 实验方法
1.4.1 磁性水凝胶溶液的制备将0.025 g光引发剂苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂与10 mL PBS混合，置于55 ℃水浴中避光加热30 min，充分搅拌使光引发剂溶解，得到苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂溶液，避光保存。将2 g甲基丙烯酸酐化明胶粉末与10 mL苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂溶液混合，振荡使甲基丙烯酸酐化明胶粉末充分浸润，再次置于55 ℃水浴中避光加热2 h，充分搅拌使甲基丙烯酸酐化明胶粉末溶解，得到200 mg/mL甲基丙烯酸酐化明胶水凝胶前体溶液。将200 mg Fe3O4磁性纳米颗粒与10 mL PBS充分混合，得到20 mg/mL Fe3O4磁性纳米颗粒悬浮液。将200 mg/mL甲基丙烯酸酐化明胶水凝胶前体溶液与20 mg/mL Fe3O4磁性纳米颗粒悬浮液按体积比1∶1充分混合，得到10 mg/mL Fe3O4磁性纳米颗粒水凝胶溶液。
1.4.2 磁性生物活性玻璃支架的制备参照前期研究方法制备硼硅酸盐生物活性玻璃支架[8]。将6% Na2O、8% K2O、8% MgO、22% CaO、27% SiO2、27% B2O3、2% P2O5 按比例混合，在1 200 ℃马弗炉中熔化2-4 h，冷却后经筛分得到20-40 μm玻璃粉末；将玻璃粉末以2.4 g/mL的质量浓度与有机黏合剂丙二醇嵌段聚醚混合制备油墨，通过3D挤出打印技术制造支架，参数设置：层高240 μm、纤维直径240 μm、螺距690 μm、进料速度6-8 mm/s、挤出压力200-250 kPa；将支架置于马弗炉中烧结，先以1 ℃/min升温至500 ℃并保持3 h，再升温至600 ℃保持3 h完成烧结，降温至室温，得到硼硅酸盐生物活性玻璃支架。
将硼硅酸盐生物活性玻璃支架置于相应模具中，滴加10 mg/mL Fe3O4磁性纳米颗粒水凝胶溶液300 μL，在405 nm紫外线下照射30 s以固化，得到磁性生物活性玻璃支架。
1.4.3 支架的理化性质评估
大体观和微观结构：观察硼硅酸盐生物活性玻璃支架与磁性生物活性玻璃支架的大体形态，将两种支架经过冷冻干燥及真空喷金处理后，在扫描电镜下观察形态。
磁热性能：将磁性生物活性玻璃支架置于超导量子干涉磁测量系统高精度磁学测量仪中，测量支架的磁滞曲线。将磁性生物活性玻璃支架浸泡在500 μL PBS 中，并放置在高频交感磁场感应加热装置(频率506 kHz，输出电流20 A，线圈直径10 cm)中，通过红外热像仪记录热图像和温度曲线。
1.4.4 细胞培养将人骨肉瘤细胞接种于T25 培养瓶，添加含体积分数10%胎牛血清的高糖DMEM培养基，置于37 ℃、体积分数5% CO2细胞培养箱中，当细胞生长融合至70%-80%时进行传代培养。取处于对数生长期的人骨肉瘤细胞进行后续实验。将大鼠骨髓间充质干细胞接种于T25培养瓶，添加含体积分数10%胎牛血清和1%双抗(青霉素和链霉素)的MEM培养基，置于37 ℃、体积分数5% CO2细胞培养箱中，当细胞生长融合至70%-80%时进行传代培养。取P3代大鼠骨髓间充质干细胞进行后续实验。
1.4.5 磁热抗肿瘤实验将人骨肉瘤细胞按2×104/孔的密度接种于24孔板，分4组培养：对照组为单独培养的人骨肉瘤细胞，硼硅酸盐生物活性玻璃支架组、磁性生物活性玻璃支架组分别将硼硅酸盐生物活性玻璃支架、磁性生物活性玻璃支架放入24孔板中，交变磁场干预下磁性生物活性玻璃支架组将磁性生物活性玻璃支架放入24孔板后置于高频交感磁场感应加热装置(频率506 kHz，输出电流20 A，线圈直径10 cm)中10 min，将孔板均置于37 ℃、体积分数5% CO2细胞培养箱中培养24 h。
CCK-8 实验：培养结束后弃去原培养基，用PBS清洗3遍，然后每孔加入500 μL含10%CCK-8溶液的DMEM培养基，置于细胞培养箱内孵育3 h，吸出90 μL细胞悬液至96孔板中，在450 nm波长处检测吸光度值。每组样品重复3次，结果取平均值。
死活染色实验：培养结束后收集细胞，加入AM/PI染色试剂，置于细胞培养箱内避光孵育30 min，滴加到载玻片上，于尼康显微镜下观察。
流式细胞凋亡实验：培养结束后收集细胞，加入适量标记了荧光染料的Annexin V和适量PI，轻轻混匀，室温避光孵育20 min，通过流式细胞术评估细胞凋亡。
1.4.6 支架的生物相容性
支架浸提液的制备：依据国家 ISO10993-12 (2019)标准，将支架按照100 mg/mL浸泡于含体积分数10%胎牛血清的MEM培养基中，于37 ℃孵育24 h后收集支架浸提液。
细胞分组与干预：将P3代骨髓间充质干细胞按3×103个/孔的密度接种于96孔板中，培养24 h细胞贴壁后分3组培养，对照组更换为新的含体积分数10%胎牛血清的MEM培养基，硼硅酸盐生物活性玻璃支架组更换为硼硅酸盐生物活性玻璃支架浸提液，磁性生物活性玻璃支架组更换为磁性生物活性玻璃支架浸提液，每孔100 μL，每2 d换一次培养基或支架浸提液。
CCK-8实验：培养1，3，5 d后弃去原培养基或支架浸提液，用PBS清洗3遍，每孔加入100 μL含10% CCK-8溶液的MEM培养基，置于细胞培养箱内孵育3 h，吸出90 μL细胞悬液至另一96孔板中，在450 nm波长处检测吸光度值。每组样品重复3次，结果取平均值。
死活染色实验：培养3 d后弃去原培养基或支架浸提液，用PBS清洗3遍，加入死/活细胞染色剂，置于细胞培养箱内避光孵育30 min；取出孔板并用PBS清洗3遍，于显微镜下观察。
1.4.7 支架的促成骨性能
支架浸提液的制备：依据国家 ISO10993-12 (2019)标准，将支架按照100 mg/mL浸泡于含体积分数10% 胎牛血清的成骨诱导培养基中，于37 ℃孵育24 h后收集支架浸提液。
碱性磷酸酶染色与活性检测：①碱性磷酸酶染色：将P3代大鼠骨髓间充质干细胞按2×104/孔的密度接种于24孔板中，培养24 h细胞贴壁后分3组培养，对照组更换为新的含体积分数10%胎牛血清的成骨诱导培养基，硼硅酸盐生物活性玻璃支架组更换为硼硅酸盐生物活性玻璃支架浸提液，磁性生物活性玻璃支架组更换为磁性生物活性玻璃支架浸提液，每孔500 μL，每2 d换一次培养基。培养7 d后弃培养基或支架浸提液，用PBS清洗3遍，加入40 g/L多聚甲醛固定30 min；用PBS清洗3遍，加入碱性磷酸酶染色试剂液室温避光孵育30 min，于显微镜下观察。②碱性磷酸酶活性检测：将P3代大鼠骨髓间充质干细胞按1×105/孔的密度接种于6孔板中，培养24 h细胞贴壁后分3组培养，对照组更换为新的含体积分数10%胎牛血清的成骨诱导培养基，硼硅酸盐生物活性玻璃支架组更换为硼硅酸盐生物活性玻璃支架浸提液，磁性生物活性玻璃支架组更换为磁性生物活性玻璃支架浸提液，每孔2 mL，每2 d换一次培养基。培养7 d后弃去培养基或支架浸提液，用PBS清洗3遍，加入Western及IP细胞裂解液(无抑制剂)裂解细胞，离心后取上清，使用碱性磷酸酶检测试剂盒检测碱性磷酸酶活性。
茜素红染色：细胞分组与干预同碱性磷酸酶染色。培养21 d后弃去培养基或支架浸提液，用PBS清洗3遍，加入40 g/L多聚甲醛固定30 min；用PBS清洗3遍，加入茜素红染色试剂液室温避光孵育30 min，于显微镜下观察。同时，使用10%氯化十六烷基吡啶溶解钙结节，在560 nm波长处测量吸光度值来定量分析钙沉积。

成骨基因表达检测：细胞分组与干预同碱性磷酸酶染色。培养7 d后，采用FastPure Cell/Tissue Total RNA Isolation Kit V2试剂盒提取细胞总RNA，利用PrimeScript™ RT Reagent Kit将RNA反转录为cDNA，以SYBR® Premix Ex Taq™为反应体系进行qRT-PCR反应，利用2-ΔΔCt方法检测成骨标志基因骨钙素和Runx2 mRNA表达量，以GAPDH作为内参基因。实验中使用的引物序列见表1。

1.5 主要观察指标硼硅酸盐生物活性玻璃支架与磁性生物活性玻璃支架的理化性质、磁热抗肿瘤能力、生物相容性和体外对骨髓间充质干细胞成骨分化的作用。
1.6 统计学分析采用GraphPad Prism 9.3 统计软件进行分析。所有结果均采用一式3份，所得数据均以x±s表示。统计分析采用单因素方差分析(ANOVA)或t检验，然后进行Bonferroni事后检验，P < 0.05为差异有显著性意义。文章统计学方法已经通过中国人民解放军总医院统计学专家审核。

讨论

硼硅酸盐生物活性玻璃在组织工程修复方面的显著性能已成为该领域研究的重点。在各种类型的生物活性玻璃中，HENCH教授及其同事开创的硅酸盐生物活性玻璃(45S5)是使用和研究最广泛的，并已获得美国食品和药物管理局批准[22-23]。硼硅酸盐生物活性玻璃通过将硼整合到传统硅酸盐生物活性玻璃网络中减少了网络的连接性，从而增强了化学反应性，加速了玻璃的降解和基质离子的释放，因此，通过操纵玻璃网络结构内的硼/硅比并掺入其他成分可以调节硼硅酸盐生物活性玻璃的降解速率，使它产生更适合人体的微环境[24]。最近，硼硅酸盐生物活性玻璃在骨髓炎、股骨髁缺损、颅骨缺损和股骨头坏死等领域的骨组织修复和重建研究中获得了广泛关注[25]。骨肉瘤切除术后残余肿瘤的复发不仅会引发剧烈的身体疼痛、显著降低患者的生活质量，还会对患者的心理健康产生深远影响，导致焦虑、抑郁和压力的显著增加，这些负面心理状态会进一步复杂化患者的康复过程，对患者长期预后产生不利影响[26]。因此，如何通过修饰骨科植入物来增强其生物功能，预防肿瘤复发并促进骨愈合，已成为当前研究的前沿热点[27-28]。
磁热疗法是一种新型的抗肿瘤治疗方法，利用磁性纳米颗粒在外部交变磁场的作用下产生热量，达到合适的温度，从而产生良好的治疗效果[29]。超顺磁性Fe3O4纳米粒子因独特的磁滞效应、良好的生物相容性和有效的磁热能力，成为磁热疗法的理想材料[30-31]。水凝胶作为控释药物递送系统可以减少所携带药物的毒副作用，受到研究人员的广泛关注[32-33]。甲基丙烯酸酐化明胶具备光固化特性、良好的生物相容性，可作为携带药物或纳米颗粒的优良控释系统[34]。
此次实验利用甲基丙烯酸酐化明胶携带磁性四氧化三铁纳米颗粒构建磁性水凝胶，并将其负载在硼硅酸盐生物活性玻璃支架上制备磁性生物活性玻璃支架，使其具备良好的磁热能力。大体观和扫描电镜观察结果显示，磁性水凝胶稳定地负载在硼硅酸盐生物活性玻璃支架上。磁性生物活性玻璃支架具备良好的磁热潜能，在交变磁场的作用下该支架可达到57.5 ℃的高温，局部高温导致肿瘤细胞的蛋白质变性，破坏肿瘤细胞结构，从而诱导肿瘤细胞凋亡。CCK-8、死活染色和流式细胞学凋亡实验均证实，磁性生物活性玻璃支架凭借其磁热效应展现出优秀的抗肿瘤能力；此外，CCK-8实验和死活染色结果显示磁性生物活性玻璃支架具有良好的生物相容性，能够降解释放铁、硅、钙等生物活性离子促进细胞增殖。碱性磷酸酶染色与活性检测、茜素红染色、qRT-PCR检测结果进一步表明，磁性生物活性玻璃支架通过释放生物活性离子、激活磷脂酰肌醇 3激酶/蛋白激酶B等信号通路[35-36]，有效促进骨髓间充质干细胞向成骨方向分化。
综上所述，此次研究成功构建了磁性生物活性玻璃支架，通过体外实验验证该支架具有优异的磁热性能、生物相容性以及促进大鼠骨髓间充质干细胞增殖和成骨分化的能力。然而，目前的研究仅限于体外实验，尚未深入探讨磁性生物活性玻璃支架的抑瘤促成骨机制，并且该支架在体内的抗肿瘤效果和骨缺损修复能力仍需进一步验证。未来的研究将重点聚焦于机制探索与体内实验，以全面评估磁性生物活性玻璃支架的临床应用潜力。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

磁性生物活性玻璃支架的磁热抗肿瘤与促成骨性能

Magnetocaloric antitumor and osteogenic properties of magnetic bioactive glass scaffolds

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 9

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王楠, 陈双, 席志鹏, 钱宇章, 张啸宇, 顾军, 康然, 谢林. 神经根沉降征影响腰椎管狭窄症经皮内镜减压效果的MRI评价[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2262-2268.
[2]	王泊凯, 王志强, 周宏艳, 李骏然, 武一恒, 赵洪波. 青少年胫骨远端三平面骨折的骨折地图绘制与成像分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2248-2254.
[3]	王菘芃, 刘玉三, 于焕英, 高晓丽, 徐英江, 张晓明, 刘敏. 沸石基咪唑盐框架8纳米材料的活性氧双向调控：从肿瘤治疗、抗菌到细胞保护[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 2033-2013.
[4]	刘宏杰, 牟秋菊, 申玉雪, 梁飞, 祝丽丽. 金属有机框架/羧甲基壳聚糖-氧化海藻酸钠/富血小板血浆水凝胶促糖尿病感染创面愈合[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1929-1939.
[5]	闵昌琴, 黄英. pH值/近红外激光刺激响应型载药系统的构建及在抗口腔鳞癌中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1940-1951.
[6]	邵子瑜, 李倩, 曲曼姑丽·阿布都克力木, 韩友军, 胡杨. 三种比例双相磷酸钙的制备及性能表征[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1952-1961.
[7]	郑旭颖, 胡洪成, 许礼兵, 韩建民, 邸萍. 不同载荷形式和内连接形状下两段式粘接固位氧化锆种植体的应力大小和分布[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1979-1987.
[8]	周红丽, 王晓龙, 郭蕊, 姚轩轩, 郭茹, 周熊涛, 何祥一. 纳米羟基磷灰石/海藻酸钠/聚己内酯/阿仑膦酸钠支架的制备及表征[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1962-1970.
[9]	杨利霞, 刁立琴, 李华, 冯亚婵, 刘鑫, 于月欣, 窦茜茜, 谷辉峰, 徐兰举. 重组Ⅲ型人源化胶原蛋白改善大鼠光老化皮肤的调控机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1988-2000.
[10]	董春阳, 周天恩, 莫孟学, 吕文权, 高明, 朱瑞凯, 高志伟. 二甲双胍联合血水草敷料治疗深Ⅱ度烧伤创面的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 2001-2013.
[11]	潘之怡, 黄嘉雯, 薛文君, 徐建达. MXene柔性电子传感器的优势及在糖尿病足创面监测中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 2023-2032.
[12]	孙蕾, 张琦, 张宇. 绿原酸蛋白微球/聚己内酯静电纺丝膜的促成骨效应[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1877-1884.
[13]	吴妍廷, 李宇, 廖金凤. 氧化镁纳米粒调控成骨与血管生成相关基因表达促进骨缺损愈合[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1885-1895.
[14]	黎清斌, 林建辉, 黄文杰, 王明爽, 杜间开, 劳永锵. 膝关节周围骨巨细胞瘤病灶扩大刮除后填充骨水泥：软骨下植骨与不植骨的比较[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1896-1902.
[15]	蒋星海, 宋玉林, 李德津, 邵建敏, 徐军志, 刘华凯, 吴应国, 沈岳辉, 冯思诚. 血管内皮生长因子165基因转染骨髓间充质干细胞构建血管化两亲性肽凝胶模块[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1903-1911.