具有NIR-II光熱能力和增強(qiáng)成脂活性的3D打印CoSi/PCL復(fù)合支架用于乳房切除術(shù)后的乳...

乳房切除術(shù)后的乳房重建旨在恢復(fù)乳房的外觀和功能。目前的支架往往無(wú)法滿足乳房切除術(shù)后乳房重建的復(fù)雜臨床需求，包括個(gè)性化塑形、預(yù)防腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移以及促進(jìn)脂肪組織再生。成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院董志宏教授團(tuán)隊(duì)和浙江省組織修復(fù)材料工程研究中心陳陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)等，提出了一種在通過(guò)將易于加工的生物聚合物聚己內(nèi)酯(PCL)與多功能生物活性陶瓷正硅酸鈷(Co2SiO4、CoSi)通過(guò)3D打印技術(shù)形成多功能CoSi/PCL復(fù)合支架。支架呈現(xiàn)出可控的形狀，并設(shè)計(jì)了大孔結(jié)構(gòu)。其光熱性能在近紅外(NIR) I和NIR-II區(qū)域均得到充分體現(xiàn)，能夠以最小的副作用實(shí)現(xiàn)有效的腫瘤消融。此外，生物活性硅酸鹽和鈷離子的釋放促進(jìn)脂肪生成和血管生成，從而增強(qiáng)支架與周圍組織的整合。這種方法為將腫瘤治療與乳房重建相結(jié)合提供了一種有前途的策略，為乳房切除術(shù)后患者提供了臨床相關(guān)的解決方案。

一、背景介紹

乳腺癌是全球最常見(jiàn)的癌癥，也是女性死亡的主要病因。手術(shù)是乳腺癌主要治療方式，患者面臨部分或全部乳房切除風(fēng)險(xiǎn)，術(shù)后乳房缺陷嚴(yán)重影響身心健康。且手術(shù)若切除不完全，易致腫瘤復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移，需輔助化療、放療，顯著降低患者生活質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)腫瘤完全切除和術(shù)后有效乳房重建仍是重大挑戰(zhàn)。

具有抗腫瘤特性的植入式支架為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)提供了條途徑�；�本方法包括用具有抗腫瘤能力的生物材料填充術(shù)后缺損，從而根除殘留的癌細(xì)胞并防止復(fù)發(fā)，還可以替換和可能再生丟失的乳腺組織。目前增強(qiáng)這類支架抗腫瘤功效的策略中，基于近紅外(NIR)光熱療法(PTT)的支架較常用，其利用光熱劑(如金納米顆粒等)將NIR光轉(zhuǎn)化為熱量以消滅癌細(xì)胞。但多數(shù)光熱轉(zhuǎn)化劑在第一NIR區(qū)域(NIR-I，<1000 nm)起作用，而NIR-II光熱支架材料因能滲透更深組織、有更高最大允許暴露量，為乳房切除術(shù)后乳房重建帶來(lái)巨大前景 。

最佳乳房重建支架，除防腫瘤復(fù)發(fā)外，還需具備合適形狀、機(jī)械強(qiáng)度及促進(jìn)脂肪組織再生的能力。3D打印等個(gè)性化定制技術(shù)，在癌癥術(shù)后乳房重建中愈發(fā)重要。像由聚己內(nèi)酯(PCL)構(gòu)成的典型3D打印支架，常用于脂肪組織工程和乳房重建，其生物相容性佳、機(jī)械性能與降解速率可調(diào)節(jié)，能支持脂肪細(xì)胞等多種細(xì)胞粘附、增殖，大型動(dòng)物及臨床試驗(yàn)已證實(shí)其在這兩方面的潛力。不過(guò)，純PCL支架既無(wú)內(nèi)在抗腫瘤特性，也缺乏積極促進(jìn)脂肪組織再生所需的生物活性。

先前研究顯示，可生物降解的硅酸鹽生物陶瓷能持續(xù)釋放具多種生物學(xué)功能的硅酸鹽離子，可促進(jìn)脂肪生成分化，是增強(qiáng)脂肪組織再生的優(yōu)質(zhì)候選材料。含轉(zhuǎn)金屬元素的硅酸鹽生物陶瓷還具備NIR光熱轉(zhuǎn)換能力，適合用于抗腫瘤支架。本研究合成并表征了具有NIR - II 光熱特性的新型可生物降解硅酸鈷(Co2SiO4、CoSi)生物陶瓷(方案1)。將其與聚己內(nèi)酯(PCL)結(jié)合，運(yùn)用3D打印技術(shù)制成CoSi/PCL復(fù)合多孔支架。通過(guò)體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，評(píng)估該支架的光熱、抗腫瘤功效，以及對(duì)小鼠前脂肪細(xì)胞(3T3 - L1)、人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECs)的調(diào)節(jié)作用和體內(nèi)成脂活性，為乳腺癌術(shù)后創(chuàng)新乳房重建支架的研發(fā)提供理論與實(shí)證依據(jù)。

方案. 設(shè)計(jì)的3D打印CoSi/PCL復(fù)合支架的示意圖，該支架具有NIR-II光熱能力和增強(qiáng)的成脂活性，用于乳房切除術(shù)后的乳房重建。

二、結(jié)果

2.1材料

除另有說(shuō)明外，所有化學(xué)試劑，包括四乙氧基硅烷(TEOS)、硝酸鈷六水合物、乙醇、油紅O均購(gòu)自阿拉丁股份有限公司(中國(guó)上海)。PCL購(gòu)自SUNP BIOTECH(中國(guó)北京)。細(xì)胞計(jì)數(shù)試劑盒-8 (CCK8)購(gòu)自 Yeasen Biotechnology Co.，Ltd(中國(guó)上海)。所有引物均購(gòu)自Sangon Biotech(中國(guó)上海)。

2.2 CoSi/PCL 復(fù)合支架的3D打印

CoSi/PCL復(fù)合材料支架是使用基于擠壓的3D打印技術(shù)制造的。將CoSi(重量比為0.1、0.25和0.5 wt%)和PCL在氯仿中充分混合，澆鑄到燒杯的內(nèi)壁上以形成薄膜。氯仿蒸發(fā)后，將CoSi/PCL復(fù)合膜在80°C下熔化，并使用BioMakerV2(SUNP BIOTECH，中國(guó)北京)轉(zhuǎn)移到注射器中進(jìn)行3D打印。在90°C的溫度下，使壓力保持在600至700 kPa之間。打印速度設(shè)置為6 mm/s，擠出速度為0.6 mm³/s。支架打印尺寸為20 mm×20 mm×1 mm，線距為1 mm，層高為0.15 mm，線路布線設(shè)計(jì)為0°– 45°–90°交錯(cuò)直線。然后將這些打印樣品切割成直徑為8 mm的圓柱體，以備后續(xù)使用。出于控制目的，純PCL支架也按照相同的方案進(jìn)行3D打印。獲得的重量比為0.1、0.25和0.5 wt%的CoSi/PCL復(fù)合支架分別命名為0.1CoSi、0.25CoSi、0.5CoSi。

三、結(jié)果

CoSi和CoSi/PCL復(fù)合支架的表征

通過(guò)溶膠-凝膠法合成的陶瓷呈黑色，掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(圖1A)顯示其顆粒大小約5-20 μm。能量色散X射線光譜(EDS)和X射線衍射(XRD)分析(圖1B)證實(shí)合成的顆粒為Co2SiO4(CoSi)陶瓷。CoSi吸收光譜顯示其在NIR-I和NIR-II區(qū)域吸收廣泛且強(qiáng)，具備作為NIR PTT光熱劑的潛力。然后，采用3D打印技術(shù)制備了不同CoSi含量的CoSi/PCL復(fù)合支架，CoSi質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1、0.25和0.5 wt%，對(duì)應(yīng)0.1% CoSi、0.25% CoSi和0.5% CoSi。圖1C展示了不同復(fù)合支架的整體形態(tài)，純PCL支架為半透明乳白色，隨著CoSi加入及濃度增加，復(fù)合支架顏色從灰色變?yōu)楹谏�。SEM圖像表征了支架大孔結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)(圖1D)，表明添加CoSi不改變整體孔結(jié)構(gòu)，大孔尺寸約600 μm，打印纖維直徑約400 μm，孔隙率超60%。放大的SEM圖像顯示CoSi主要封裝在支架內(nèi)，對(duì)表面形態(tài)影響不大。支架橫截面SEM圖像(圖1E和F)顯示CoSi顆粒被包埋，EDS映射證實(shí)其分布相對(duì)均勻。

四、結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了3D打印的CoSi/PCL復(fù)合支架，能夠同時(shí)對(duì)乳腺腫瘤進(jìn)行NIR-II PTT并促進(jìn)血管化脂肪組織再生。CoSi組件在NIR-II區(qū)域表現(xiàn)出高光熱轉(zhuǎn)換效率，使支架能夠?qū)ι畈咳橄倌[瘤細(xì)胞實(shí)現(xiàn)卓越的光熱治療效果，而不會(huì)產(chǎn)生明顯的不良反應(yīng)。此外，釋放的生物活性Si和Co離子不僅在體外有效促進(jìn)脂肪細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的分化，而且在體內(nèi)增強(qiáng)血管化脂肪組織的再生。本研究為PTT雙功能支架在腫瘤治療中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了科學(xué)見(jiàn)解。

五、參考文獻(xiàn)

Jupei Zhang, Hangbin Xia, Xuerui Zhou, Zhaoxu Meng, Qishu Jin, DongminChen, Xiaojuan Xia, Yiren Jiao, Jiang Chang, Zhihong Dong, Zhen Zeng, HongshiMa, Chen Yang,3D-printed CoSi/PCL composite scaffold with NIR-II photothermalability and enhanced adipogenic activity for breast reconstruction aftermastectomy,Materials Today Bio,Volume 31,2025,101577,ISSN 2590-0064, https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2025.101577.