来源：EFL生物打印
在骨癌的治疗和相关的骨缺损修复中，提高治疗效果和改善患者生活质量的需求不断增加，需要创新的医疗保健技术，这些技术可以彻底改变传统的治疗方案(侵入性手术和全身性接受抗癌药物)。
近日，来自四川大学华西医院骨科研究所的张力、丰干钧和刘立岷团队共同开发了一种逐层(LBL)组装的黑磷纳米片/壳聚糖(BP-NS/CS)多功能复合涂层，并将其沉积在3D打印的聚醚醚酮(PEEK)骨支架上，使其能够应用于骨肉瘤治疗和骨修复（图1）。复合涂层中的BP-NS能够产生ROS和PTT，用于调节感染控制，而pH敏感的CS用作“智能”抗癌药物(DOX)释放平台（图1）。
图1 BP-NS/CS-DOX复合涂层及其相关多功能的示意图
▲相关研究论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110266
涂层支架材料的特性
模仿分级的孔结构自然骨骼的一部分，作者设计了具有分级孔径的PEEK支架,SEM表明成功制备了具有分级孔隙率(200–800微米)的磺化PEEK支架。3D打印的致密PEEK具有高得多的拉伸和压缩模量(分别为1462.8 MPa和1179.1 MPa)。相比之下，具有梯度孔隙率的支架具有中间的拉伸和压缩模量值(分别为537.1 MPa和323.2 MPa)。当然，所有PEEK支架的弹性模量都在人类松质骨模量范围内(0.01–3 GPa)。
图2 支架的结构表征
图2表明BP-NS的最大尺寸为200 nm，厚度约为14-16 nm(图2a-b)，DLS分析进一步证明了这个结果(图2c)。Zeta电位测试表明两种物质可以通过静电相互作用层层组装。
图3 BP-NS的表征
图3显示了具有载药复合涂层(即LBL/DOX-SP)的SP（磺化PEEK）支架的表征结果。SEM显示了的横截面视图LBL涂层由支架内部典型支柱上的两层BP-NS/CS-DOX组成，EDS光谱进一步表明了BP-NS的存在；FTIR显示出源自CS/DOX的碳氮特征峰，进一步证实了LBL的成功组装。XPS表明CS和DOX之间形成了氢键保持其相对稳定；原始BP-NS在1小时内完全降解，而BP晶体在440小时后完全降解。将 BP-NS嵌入LBL/DOX-SP进一步抑制了其降解率，仅在1351小时（56 天）后才实现总降解。
图4 LBL/DOX支架的特性
光热转换效应
图4a和b显示了LBL/DOX-SP涂层(10个双层)在不同辐射条件下的温度分布近红外光谱功率密度。结果表明，支架在空气中的温度可在150 s内分别达到60℃、78℃和97 ℃后保持稳定。分别使用和不使用NIR监测P和DOX的累积释放（图 5）。可以看出，由于在高温下增强了扩散效应，NIR 可以大大增强P和DOX的释放；
已知肿瘤细胞外pH和间质液pH值分别为6.2-6.9和5.5-6.0，而健康组织的pH值为7.3-7.4，因此，在中性(pH 7.4)和酸性(pH 5.5)条件下也监测了LBL/DOX-SP的pH响应性药物释放，以模拟健康和肿瘤生理状态微环境。结果表明，P和DOX在pH 5.5下均表现出增强的释放，表明了良好的pH控制药物释放。
图5 LBL/DOX-SP在空气中的光热转换效应及其药物释放响应
抗菌特性
作者以S. aureus和E.coli两种典型细菌进行抗菌特性的验证，在不同支架表面使用(NIR+)和没有(NIR-)激光照射。图6显示P和SP支架对近红外辐射不敏感，而CS包被的SP (CS-SP)NIR-和CS/DOX包被的SP (CS/DOX-SP) NIR-显示出相似的杀菌率，即对金黄色葡萄球菌为 42%，对大肠杆菌为 46%。因此，材料的抗菌特性主要源于CS。
图6 涂层支架材料的抗菌性能
体外抗癌研究
之后，作者以MG-63为模型肿瘤细胞评价LBL/DOX-SP涂层的支架的化学-PTT效率。图7显示了细胞实验的具体结果，P、SP、CS-SP的细胞活力相当（~100%）并且不依赖于激光。CS/DOX-SP NIR-和 LBL/DOX-SP NIR-的细胞活力均降低了约35%。虽然CS/DOX-SP对激光照射不敏感，但LBL/DOX-SP NIR+ 显示细胞活力进一步下降（降至12.2%）。在 LBL/DOX-SP NIR +中看到的最大癌症消融效率可归因于PPT 和化疗的联合作用。
图7 体外抗癌效果
体内抗癌研究
接着，作者使用异位骨肉瘤裸鼠模型评估不同支架在体内的肿瘤消融能力。在BP的作用下，含有LBL/DOX-SP的肿瘤的温度在2分钟内达到50 ℃,并在整个治疗期间保持稳定功率的激光照射（图8）。对照组、P组、SP组、CS-SP组(NIR+/)的肿瘤体积显示显著增加(与第0天相比大于9倍)，而CS/DOX-SP NIR组和LBL/DOX-SP NIR组的肿瘤体积与第0天的肿瘤体积相似。LBL/DOX-SP NIR +组的肿瘤体积在第10天显示出最大的减小(99%)。这些结果证实，化学-PPT疗法可以实现近乎完全的肿瘤抑制（~99%），其性能可与其他高影响研究相媲美。
图8 体内抗癌效果
在骨癌的治疗和相关的骨缺损修复中，提高治疗效果和改善患者生活质量的需求不断增加，需要创新的医疗保健技术，这些技术可以彻底改变传统的治疗方案(侵入性手术和全身性接受抗癌药物)。
近日，来自四川大学华西医院骨科研究所的张力、丰干钧和刘立岷团队共同开发了一种逐层(LBL)组装的黑磷纳米片/壳聚糖(BP-NS/CS)多功能复合涂层，并将其沉积在3D打印的聚醚醚酮(PEEK)骨支架上，使其能够应用于骨肉瘤治疗和骨修复（图1）。复合涂层中的BP-NS能够产生ROS和PTT，用于调节感染控制，而pH敏感的CS用作“智能”抗癌药物(DOX)释放平台（图1）。
图1 BP-NS/CS-DOX复合涂层及其相关多功能的示意图
▲相关研究论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110266
涂层支架材料的特性
模仿分级的孔结构自然骨骼的一部分，作者设计了具有分级孔径的PEEK支架,SEM表明成功制备了具有分级孔隙率(200–800微米)的磺化PEEK支架。3D打印的致密PEEK具有高得多的拉伸和压缩模量(分别为1462.8 MPa和1179.1 MPa)。相比之下，具有梯度孔隙率的支架具有中间的拉伸和压缩模量值(分别为537.1 MPa和323.2 MPa)。当然，所有PEEK支架的弹性模量都在人类松质骨模量范围内(0.01–3 GPa)。
图2 支架的结构表征
图2表明BP-NS的最大尺寸为200 nm，厚度约为14-16 nm(图2a-b)，DLS分析进一步证明了这个结果(图2c)。Zeta电位测试表明两种物质可以通过静电相互作用层层组装。
图3 BP-NS的表征
图3显示了具有载药复合涂层(即LBL/DOX-SP)的SP（磺化PEEK）支架的表征结果。SEM显示了的横截面视图LBL涂层由支架内部典型支柱上的两层BP-NS/CS-DOX组成，EDS光谱进一步表明了BP-NS的存在；FTIR显示出源自CS/DOX的碳氮特征峰，进一步证实了LBL的成功组装。XPS表明CS和DOX之间形成了氢键保持其相对稳定；原始BP-NS在1小时内完全降解，而BP晶体在440小时后完全降解。将 BP-NS嵌入LBL/DOX-SP进一步抑制了其降解率，仅在1351小时（56 天）后才实现总降解。
图4 LBL/DOX支架的特性
光热转换效应
图4a和b显示了LBL/DOX-SP涂层(10个双层)在不同辐射条件下的温度分布近红外光谱功率密度。结果表明，支架在空气中的温度可在150 s内分别达到60℃、78℃和97 ℃后保持稳定。分别使用和不使用NIR监测P和DOX的累积释放（图 5）。可以看出，由于在高温下增强了扩散效应，NIR 可以大大增强P和DOX的释放；
已知肿瘤细胞外pH和间质液pH值分别为6.2-6.9和5.5-6.0，而健康组织的pH值为7.3-7.4，因此，在中性(pH 7.4)和酸性(pH 5.5)条件下也监测了LBL/DOX-SP的pH响应性药物释放，以模拟健康和肿瘤生理状态微环境。结果表明，P和DOX在pH 5.5下均表现出增强的释放，表明了良好的pH控制药物释放。
图5 LBL/DOX-SP在空气中的光热转换效应及其药物释放响应
抗菌特性
作者以S. aureus和E.coli两种典型细菌进行抗菌特性的验证，在不同支架表面使用(NIR+)和没有(NIR-)激光照射。图6显示P和SP支架对近红外辐射不敏感，而CS包被的SP (CS-SP)NIR-和CS/DOX包被的SP (CS/DOX-SP) NIR-显示出相似的杀菌率，即对金黄色葡萄球菌为 42%，对大肠杆菌为 46%。因此，材料的抗菌特性主要源于CS。
图6 涂层支架材料的抗菌性能
体外抗癌研究
之后，作者以MG-63为模型肿瘤细胞评价LBL/DOX-SP涂层的支架的化学-PTT效率。图7显示了细胞实验的具体结果，P、SP、CS-SP的细胞活力相当（~100%）并且不依赖于激光。CS/DOX-SP NIR-和 LBL/DOX-SP NIR-的细胞活力均降低了约35%。虽然CS/DOX-SP对激光照射不敏感，但LBL/DOX-SP NIR+ 显示细胞活力进一步下降（降至12.2%）。在 LBL/DOX-SP NIR +中看到的最大癌症消融效率可归因于PPT 和化疗的联合作用。
图7 体外抗癌效果
体内抗癌研究
接着，作者使用异位骨肉瘤裸鼠模型评估不同支架在体内的肿瘤消融能力。在BP的作用下，含有LBL/DOX-SP的肿瘤的温度在2分钟内达到50 ℃,并在整个治疗期间保持稳定功率的激光照射（图8）。对照组、P组、SP组、CS-SP组(NIR+/)的肿瘤体积显示显著增加(与第0天相比大于9倍)，而CS/DOX-SP NIR组和LBL/DOX-SP NIR组的肿瘤体积与第0天的肿瘤体积相似。LBL/DOX-SP NIR +组的肿瘤体积在第10天显示出最大的减小(99%)。这些结果证实，化学-PPT疗法可以实现近乎完全的肿瘤抑制（~99%），其性能可与其他高影响研究相媲美。
图8 体内抗癌效果
