《Scientific Reports》：ZIF-8 functionalized PCL/BG composite scaffolds with improved bioactivity and osteogenic differentiation
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骨组织工程需要能平衡力学强度、生物活性与生物学性能的支架。本研究通过三维打印制备了掺有40-50 wt% 58S生物活性玻璃（BG）纳米颗粒的PCL复合支架，并利用ZIF-8金属-有机框架进行表面功能化，构建了一种体-面双修饰体系。其中含45 wt% BG的支架表现出最高的压缩强度（约35 MPa）和优异的体外生物活性。体外细胞实验证实，ZIF-8涂层显著促进了MG-63成骨细胞的活力、粘附、增殖及相关基因表达。该研究为开发多功能骨修复材料提供了新策略。
骨骼缺损的修复是临床医学面临的重要挑战，尤其在由创伤、肿瘤切除或骨质疏松等因素导致的大段骨缺损情况下，自体骨移植虽被视为“金标准”，但存在来源有限、二次创伤等弊端。因此，开发能够替代或引导骨骼再生的生物材料——骨组织工程支架，成为了研究热点。一个理想的骨组织工程支架需要扮演多重角色：它必须具有足够的力学强度来支撑缺损部位，避免在愈合过程中发生塌陷；它需要具备良好的生物活性，能够与周围骨组织紧密结合，甚至主动诱导新骨生成；同时，它还必须为细胞的粘附、增殖和分化提供适宜的微环境。然而，单一材料往往难以同时满足这些苛刻要求。例如，可生物降解的高分子材料聚己内酯（PCL）具有良好的加工性和生物相容性，但缺乏生物活性且力学性能有限；而生物活性玻璃（Bioactive Glass, BG）以其优异的骨结合能力和生物活性著称，但脆性大、难以单独成型。如何将两者优势结合，并进一步赋予材料更多功能，是当前研究的难点。
为了应对上述挑战，一项发表在《Scientific Reports》上的研究提出了一种创新的“体-面双修饰”策略。研究人员的目标是构建一种兼具优异机械性能、高生物活性和主动促进成骨能力的复合支架。他们的研究思路清晰而巧妙：首先在材料“体相”中实现高强度与基础生物活性的融合，接着在材料“表面”进行精细修饰以增强其生物学功能。具体而言，他们利用三维（3D）打印技术，制备了一系列掺有不同含量（40, 45, 50 wt%）溶胶-凝胶法58S生物活性玻璃（BG）纳米颗粒的PCL复合支架，从“体相”上提升材料的力学强度和基础生物反应性。然后，他们选择性能最优的支架配方，在其表面原位生长了一层沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）金属-有机框架（MOF），完成了“表面”的功能化。ZIF-8不仅结构稳定，还能在生理环境中缓慢释放具有成骨促进作用的锌离子（Zn2+），从而有望在细胞和分子水平进一步刺激骨再生。
本研究综合运用了多种关键技术方法。首先，通过熔融沉积建模（FDM）型3D打印技术结合复合丝材制备了PCL/BG多孔支架，实现了结构的精确可控。其次，采用溶胶-凝胶法合成了58S生物活性玻璃纳米颗粒。最关键的技术之一是原位生长法，在优化后的PCL/BG支架表面成功构建了ZIF-8涂层。材料表征依赖于扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱（EDS）分析元素分布，以及压缩测试评估力学性能。生物活性通过模拟体液（SBF）浸泡实验评估。生物学评价则使用了人类MG-63成骨样细胞系，通过细胞活性、粘附增殖实验以及实时定量聚合酶链反应（qRT-PCR）检测成骨相关基因的表达。
研究结果
1. 支架的制备、形貌与力学性能
研究人员成功制备了不同BG含量的3D打印PCL/BG复合支架，并对其进行了ZIF-8表面改性。扫描电镜（SEM）显示，所有支架均具有规整的多孔结构。截面SEM和X射线能谱（EDS）面扫描分析证实，钙（Ca）、硅（Si）、磷（P）等生物活性元素在聚合物基体中均匀分散，表明BG纳米颗粒得到了良好的复合。力学测试表明，随着BG含量增加，支架的压缩强度先升高后降低。其中，含有45 wt% BG的支架（无论是否涂覆ZIF-8）表现出最高的压缩强度，约为35 MPa，因此被选为后续研究的优化配方。ZIF-8涂层在支架表面形成了均匀的晶体层，但并未对支架的宏观压缩强度产生显著影响。
2. 体外降解、生物活性与离子释放行为
体外降解实验表明，ZIF-8功能化的PCL/45BG支架在磷酸盐缓冲液（PBS）中表现出可控的降解行为。更重要的是，在模拟体液（SBF）中浸泡后，该支架表面快速沉积了具有典型球状结构的碳酸羟基磷灰石（HCA）层，证明了其优异的体外生物活性。对Zn2+离子释放的定量分析显示，在长达28天的周期内，ZIF-8涂层支架表现出持续、可控的释放曲线，释放浓度范围在0.05至0.69 ppm之间，没有出现初始的突释现象。这表明ZIF-8涂层结构稳定，能够将Zn2+离子浓度维持在已知对细胞无毒、甚至有益的范围内，为实现长期的生物学刺激提供了可能。
3. 体外细胞相容性与成骨活性评价
使用MG-63成骨样细胞进行的体外实验全面评估了支架的生物学性能。细胞活性（CCK-8法）和细胞增殖（通过DNA含量测定）结果表明，与未涂层的PCL/45BG支架相比，ZIF-8功能化支架能显著增强细胞的活力和增殖能力。SEM观察细胞形貌进一步显示，细胞在ZIF-8改性支架表面铺展得更充分，伪足伸展更明显，表明细胞粘附和铺展状态更佳。这些数据证明ZIF-8涂层显著改善了支架的细胞相容性。
4. 成骨相关基因表达分析
为了深入探究材料对细胞成骨分化的影响，研究通过qRT-PCR检测了关键成骨基因的表达。结果显示，在ZIF-8功能化支架上培养的MG-63细胞，其多个成骨标志物的基因表达水平均被显著上调。这包括早期标志物碱性磷酸酶（ALP）和I型胶原（Col1A1），以及关键转录因子Runx2和晚期标志物骨钙素（OCN）。这种从早期到晚期成骨基因的全面上调，有力地证实了ZIF-8功能化支架具有强大的成骨诱导潜能，能够系统性地促进成骨细胞的分化进程。
研究结论与意义
本研究成功开发并系统评价了一种基于“体-面双修饰”策略的新型骨组织工程支架。该支架以高含量（45 wt%）生物活性玻璃（BG）增强的3D打印PCL复合材料为体相，提供了优异的机械强度（~35 MPa）和基础生物活性；同时，表面均匀生长的ZIF-8金属-有机框架涂层，不仅进一步提升了材料的生物相容性，还通过持续、可控地释放Zn2+离子，有效上调了成骨细胞的多种关键功能基因表达，表现出显著的成骨诱导能力。
这项工作的意义在于多方面：首先，它通过将3D打印、无机-有机复合、表面功能化等多种技术有机结合，展示了一条理性设计多功能骨修复材料的可行路径。其次，研究明确了高BG含量与ZIF-8表面修饰的协同作用，即BG提供了力学支撑和生物矿化基础，而ZIF-8则负责传递生物信号（Zn2+）以调控细胞行为。这种协同效应使得最终获得的支架在力学性能、生物活性和生物学功能之间达到了良好平衡。最后，持续可控的离子释放行为避免了高浓度离子可能带来的细胞毒性，提高了治疗的安全性窗口。总之，该研究构建的PCL/BG@ZIF-8复合支架展现出了作为下一代骨组织工程平台的巨大潜力，为治疗复杂骨缺损提供了新的材料选择和理论依据。
