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本研究致力于解决大尺寸骨缺损修复中，同时促进骨再生与相关神经再生的难题。研究人员受天然骨结构和功能的启发，通过3D打印技术，成功构建了一种分区仿生纳米复合支架，其中心多孔区负载天然来源的羟基磷灰石（HA）以促进骨重建，外围致密区负载氧化石墨烯锚定超顺磁性氧化铁纳米颗粒（GO@SPION）以增强力学性能并诱导神经发生。体外实验证明，该支架具有优异的细胞相容性，并能有效促进脂肪来源间充质干细胞（AdMSCs）的成骨与成神经分化，为骨组织工程提供了兼具结构和功能仿生的新策略。
骨骼是人体内结构精妙、功能复杂的器官，具有强大的自我修复能力。然而，面对车祸、严重外伤或肿瘤切除造成的大块、临界尺寸骨缺损，骨骼的自愈能力就捉襟见肘了。当前，自体骨移植和异体骨移植虽是临床“金标准”，但存在供体部位损伤、来源有限、免疫排斥和疾病传播等固有风险。骨组织工程，即利用人工设计的支架、细胞和生物活性因子来重建骨组织，是解决这一难题的充满前景的方向。
天然骨并非均质结构，它由外层的致密骨（皮质骨）和内层的多孔骨（松质骨）构成。皮质骨孔隙率低（5-10%），提供主要的力学支撑；而松质骨孔隙率高（50-90%），是80%骨重塑过程发生的场所。真正的骨修复，不仅是重建骨本身，还需修复骨骼内部哈弗斯管中的神经等关联组织。然而，现有的骨组织工程支架大多结构单一，难以同时模拟天然骨的分区结构和双重功能（成骨与成神经），这成为骨修复领域长期面临的挑战。
受此启发，一项发表在《Chemical Engineering Journal Advances》上的研究，报道了一种创新的3D打印仿生纳米复合支架。该研究旨在模仿天然骨，构建一种具有“内松外密”分区结构的支架：中间多孔区模拟松质骨，负载促骨生成的天然羟基磷灰石（HA）；外围致密区模拟皮质骨，负载氧化石墨烯锚定的超顺磁性氧化铁纳米颗粒（GO@SPION），以增强力学性能并诱导神经发生。研究人员期望通过这种“结构-功能”双重仿生的设计，为复杂骨缺损的完全修复提供一体化解决方案。
为开展这项研究，作者团队运用了几个关键技术方法。首先，他们采用化学共沉淀法和改良Hummers法分别合成了超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPION）和氧化石墨烯（GO），并将两者复合得到GO@SPION。其次，从伊朗组织产品公司获得的脱细胞同种异体骨块粉末中，通过煅烧提取了天然来源的羟基磷灰石（HA）。接着，利用溶剂浇铸法制备了PCL/HA和PCL/GO@SPION复合薄片作为打印“墨水”。最后，通过配备双喷头的挤出式3D打印系统，精确制造了具有不同孔隙率分区的圆柱形复合支架，其中内层为PCL/HA，外层为PCL/GO@SPION。所有体外细胞实验均使用从伊朗巴斯德研究所获取的脂肪来源间充质干细胞（AdMSCs）进行。
研究结果：
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材料与支架表征成功：FESEM、XRD、FTIR、VSM等表征证实成功合成了GO、SPION、GO@SPION和天然HA，且GO@SPION具有超顺磁性。打印出的支架结构规整，内、外层孔径分别约为683±47 μm和375±45 μm，与设计相符，且元素（Ca, P, Fe）分布均匀。
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理化性能显著改善：接触角测试表明，添加HA和GO@SPION后，支架从疏水性变为亲水性，有利于细胞黏附。压缩测试显示，PCL/HA/GO@SPION支架的杨氏模量（约19 MPa）显著高于纯PCL支架（约14 MPa），GO@SPION的加入有效增强了外围区的力学性能。
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细胞相容性与形态良好：MTT实验表明所有支架细胞存活率均高于99%，无细胞毒性。FESEM和DAPI染色显示，AdMSCs在PCL/HA/GO@SPION支架上黏附、伸展和增殖状态更佳，细胞呈纺锤形并伸出片状伪足和丝状伪足。
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成骨分化能力验证：碱性磷酸酶（ALP）活性和茜素红S（ARS）染色结果显示，含HA的支架组（PCL/HA和PCL/HA/GO@SPION）在成骨早期和晚期的分化标志物表达均显著高于纯PCL组。实时定量PCR（RT-PCR）进一步证实，这两个支架组中成骨相关基因（RUNX2、COL1、ON）的表达显著上调。
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成神经分化能力证实：RT-PCR结果显示，PCL/HA/GO@SPION支架上AdMSCs的神经标志物基因（Nestin、MAP2、GFAP）表达水平显著高于其他组，表明GO@SPION的引入成功诱导了神经向分化。
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蛋白水平双重验证：免疫荧光染色结果在蛋白水平上再次确认，AdMSCs在PCL/HA/GO@SPION支架上高表达了成骨标记蛋白（COL1和OC）以及神经标记蛋白（Nestin和MAP2）。
研究结论与意义：
本研究成功设计并制备了一种具有“内松外密”分区结构的3D打印仿生纳米复合支架。该支架通过模拟天然骨的解剖结构，将促骨生成的天然HA整合于多孔的中心区，将兼具力学增强和磁诱导神经分化功能的GO@SPION纳米复合物整合于致密的外周区，实现了结构和功能的双重仿生。
研究结果表明，该PCL/HA/GO@SPION支架不仅具有良好的生物相容性、适宜的亲水性和增强的力学性能，更重要的是，它能够在不添加外源生长因子的情况下，有效促进间充质干细胞的双向分化：HA主导的成骨分化和GO@SPION诱导的成神经分化。这种双重诱导能力通过ALP活性、矿化结节染色、RT-PCR基因表达以及免疫荧光蛋白表达等多个层面得到了充分验证。
这项工作的重大意义在于，它跳出了传统骨支架仅聚焦于骨再生的单一思路，率先将“骨-神经”协同再生的理念融入支架设计之中。通过精妙的材料选择和3D打印的空间构造，将生物活性线索（HA）和力学-磁学线索（GO@SPION）精准定位，为细胞创造了仿生且高效的微环境。这为修复伴有神经损伤的复杂骨缺损提供了一种全新的、一体化的组织工程策略，是向构建真正“智能”和“功能化”植入物迈出的重要一步，在未来的骨科生物材料开发和临床转化中具有广阔的应用前景。
