CUTTING-EDGE TECHNOLOGY
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2026-06
用于骨髓炎治疗的3D打印壳聚糖基pH响应型双功能支架：协同抗菌与成骨治疗
引言
骨髓炎是一种以进行性骨破坏为核心病理特征的严重骨质炎症疾病，主要致病菌为金黄色葡萄球菌。该病复发率高、病程迁延，易造成肢体功能缺损、终身残疾等严重预后问题。目前临床主要采用手术清创联合抗菌药物治疗，但术后感染复发率居高不下，仍是骨髓炎治疗的核心难点，亟待开发新型治疗策略突破现有临床局限。
骨髓炎复发与感染灶特殊的细菌生态及酸性代谢微环境密切相关。致病菌定植后可形成生物膜，分泌乳酸等酸性物质，使局部微环境pH值降至6.0左右。酸性环境会诱导细菌大量分泌α型酚溶性调节蛋白（PSMs）等毒性因子，加重骨质损伤。即便经抗菌治疗清除大部分致病菌，残留的PSMs仍会持续损伤成骨细胞、阻碍骨修复。因此，理想的骨髓炎治疗方案需兼顾高效抗菌与毒素抑制，阻断毒性介导的骨破坏，协同促进骨组织修复。
目前临床抗感染与骨缺损修复多采用抗生素复合支架材料，但其体系存在明显短板。全身给药难以在感染局部形成有效抑菌浓度；PMMA载药微球等局部载体不可降解，需二次手术取出，增加患者创伤。现有可降解骨修复支架虽尝试构建“抗菌+成骨”双功能体系，但普遍存在抗生素突释问题，高浓度药物易引发细胞毒性，导致治疗失效。因此，开发具备药物可控序贯释放、低毒、促骨再生特性的多功能支架材料具有重要研究价值。
随着医工交叉技术快速发展，生物医用支架3D打印制备体系日趋成熟。星芒科学仪器是专注于生物医用材料3D打印与检测技术创新的高科技企业，深耕3D打印底层技术研发，面向生物医药企业、医疗器械研发机构及生物医学科研单位，提供实验仪器、3D打印加工设备、专用试剂耗材及定制化加工服务一体化解决方案。公司业务覆盖再生医学、生物材料、医疗器械等前沿领域，可实现壳聚糖等多种医用材料的3D打印制备，具备成熟的骨组织工程支架等医用仿生结构定制加工能力，为医用功能支架的研发与产业化提供了可靠的设备与技术支撑。
星芒科学仪器壳聚糖支架
研究内容
本研究通过 3D 打印与交联技术，开发了一种新型壳聚糖基双药负载微球复合支架（VM@n-HA/CS/DM）。万古霉素和二氟尼柳分别负载于不同壳聚糖微球，前者（VM）连接于支架表面，后者（DM）包裹于支架层内；同时，支架壳聚糖基质中引入纳米羟基磷灰石（n-HA）—— 模拟骨组织无机成分，有利于新骨形成。该支架可通过 VM 在酸性微环境中的 pH 敏感性释放万古霉素，实现有效杀菌；同时通过 DM 持续释放二氟尼柳，阻断细菌毒素损伤并促进成骨。我们推测，这种将载药壳聚糖微球与壳聚糖基基质结合的创新支架，可作为一种 pH 响应型双药释放系统用于骨髓炎治疗。该设计旨在实现靶向抗菌治疗与持续骨保护、成骨作用的协同，从而降低感染复发率并促进骨再生。
图 1. 3D打印壳聚糖基复合支架的制备与治疗示意图
通过钻孔植入金黄色葡萄球菌与鱼肝油酸钠，构建感染模型后清创并植入不同支架，研究支架在体内的治疗效果，结果表明VM@n-HA/CS/DM组术后4周骨缺损修复最佳，皮质骨光滑且骨小梁连续。
图 2. 兔胫骨骨髓炎模型的建立与治疗过程
通过扫描电镜、激光粒度仪、红外光谱等手段，研究VM和DM的形貌、粒径、化学结构及 swelling 行为，结果表明VM表面光滑、DM含药物结晶，微球在pH6.0环境 swelling 率更高，成功负载药物且结构稳定。
图 3. 微球的表征分析
通过流变学分析、扫描电镜、压缩测试及降解实验，研究支架的打印适性、微观结构、机械强度及降解行为，结果表明支架具剪切稀化特性，孔隙率约58%，VM@n-HA/CS组弹性模量达8.82MPa，pH6.0环境降解更快。
图 4. 复合支架的性能测试
通过将VM@n-HA/CS支架置于不同pH PBS及细菌悬液中，研究VM的释放行为，结果表明pH6.0和细菌悬液中VM释放量显著高于pH7.4，2小时释放率分别达41.30%和45.22%。
图 5. VM的pH响应性释放
通过透析法测定万古霉素释放曲线，结合抑菌环实验，研究VM在不同pH下的释药规律及杀菌能力，结果表明pH6.0时14天累计释放52.58%，抑菌环直径达12.21mm，酸性环境释药更快且抗菌效果更强。
图 6. VM的药物释放与抗菌活性
通过扫描电镜和透射电镜观察细菌与微球的相互作用，研究VM的抗菌机制，结果表明VM通过静电作用吸附细菌，导致细菌膜破裂、细胞质泄漏，而单纯壳聚糖微球仅吸附细菌不杀菌。
图 7. VM对金黄色葡萄球菌的靶向作用
通过透析法测定双氯芬酸释放曲线，结合细胞共培养实验，研究DM的释药特性及对成骨细胞的保护效果，结果表明pH7.4时14天释放53.68%，高浓度双氯芬酸可使成骨细胞维持正常形态，存活率显著提升。
图 8. DM的药物释放与细胞保护作用
通过Micro-CT扫描胫骨样本，定量分析骨体积和骨密度，研究不同支架的骨再生效果，结果表明VM@n-HA/CS/DM组骨密度达878.15mg HA/cm³，虽骨体积较低但结构更致密，修复效果最佳。
图 9. 支架植入后的Micro-CT分析
通过H&E、Giemsa和Masson染色，观察骨组织炎症细胞浸润、细菌残留及胶原沉积，研究支架的抗菌与成骨能力，结果表明VM@n-HA/CS/DM组炎症细胞少、无细菌残留，胶原纤维排列整齐，新骨生成显著。
图 10. 支架植入后的组织学评估
讨论
VM@n-HA/CS/DM 支架通过多功能设计整合感染控制与骨修复功能，为骨髓炎治疗带来重要突破。该支架利用万古霉素和二氟尼柳在感染微环境中不同的 pH 依赖性释放特性，实现了靶向药物递送与持续抗炎效果的协同。从分子层面到宏观层面的分级功能设计，为支架提供了……
结论
本研究开发了一种新型 3D 打印 pH 响应型双药负载骨修复支架（VM@n-HA/CS/DM），通过时空梯度药物释放机制，同步解决了骨髓炎治疗中感染控制与骨再生的双重挑战。该支架创新性地通过 pH 敏感席夫碱键将 VM 接枝于支架表面，使抗生素在细菌感染诱导的酸性微环境中精准释放，实现靶向杀菌；同时，通过 DM 在支架基质内的持续释放，有效抑制细菌毒素对成骨细胞的损伤，为骨再生创造有利条件。体外和体内实验结果表明，该支架在高效清除感染、促进骨缺损修复方面具有显著优势，为骨髓炎的临床治疗提供了新的思路和候选方案。
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