具有NIR-II光熱能力和增強成脂活性的3D打印CoSi/PCL復合支架用于乳房切除術后的乳...

乳房切除術后的乳房重建旨在恢復乳房的外觀和功能。目前的支架往往無法滿足乳房切除術后乳房重建的復雜臨床需求，包括個性化塑形、預防腫瘤復發(fā)和轉移以及促進脂肪組織再生。成都大學機械工程學院董志宏教授團隊和浙江省組織修復材料工程研究中心陳陽教授團隊等，提出了一種在通過將易于加工的生物聚合物聚己內酯(PCL)與多功能生物活性陶瓷正硅酸鈷(Co2SiO4、CoSi)通過3D打印技術形成多功能CoSi/PCL復合支架。支架呈現出可控的形狀，并設計了大孔結構。其光熱性能在近紅外(NIR) I和NIR-II區(qū)域均得到充分體現，能夠以最小的副作用實現有效的腫瘤消融。此外，生物活性硅酸鹽和鈷離子的釋放促進脂肪生成和血管生成，從而增強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合提供了一種有前途的策略，為乳房切除術后患者提供了臨床相關的解決方案。

一、背景介紹

乳腺癌是全球最常見的癌癥，也是女性死亡的主要病因。手術是乳腺癌主要治療方式，患者面臨部分或全部乳房切除風險，術后乳房缺陷嚴重影響身心健康。且手術若切除不完全，易致腫瘤復發(fā)或轉移，需輔助化療、放療，顯著降低患者生活質量。實現腫瘤完全切除和術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對這一挑戰(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后缺損，從而根除殘留的癌細胞并防止復發(fā)，還可以替換和可能再生丟失的乳腺組織。目前增強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光轉化為熱量以消滅癌細胞。但多數光熱轉化劑在第一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，為乳房切除術后乳房重建帶來巨大前景 。

最佳乳房重建支架，除防腫瘤復發(fā)外，還需具備合適形狀、機械強度及促進脂肪組織再生的能力。3D打印等個性化定制技術，在癌癥術后乳房重建中愈發(fā)重要。像由聚己內酯(PCL)構成的典型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、機械性能與降解速率可調節(jié)，能支持脂肪細胞等多種細胞粘附、增殖，大型動物及臨床試驗已證實其在這兩方面的潛力。不過，純PCL支架既無內在抗腫瘤特性，也缺乏積極促進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)釋放具多種生物學功能的硅酸鹽離子，可促進脂肪生成分化，是增強脂肪組織再生的優(yōu)質候選材料。含轉金屬元素的硅酸鹽生物陶瓷還具備NIR光熱轉換能力，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)。將其與聚己內酯(PCL)結合，運用3D打印技術制成CoSi/PCL復合多孔支架。通過體外和體內實驗，評估該支架的光熱、抗腫瘤功效，以及對小鼠前脂肪細胞(3T3 - L1)、人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)的調節(jié)作用和體內成脂活性，為乳腺癌術后創(chuàng)新乳房重建支架的研發(fā)提供理論與實證依據。

方案. 設計的3D打印CoSi/PCL復合支架的示意圖，該支架具有NIR-II光熱能力和增強的成脂活性，用于乳房切除術后的乳房重建。

二、結果

2.1材料

除另有說明外，所有化學試劑，包括四乙氧基硅烷(TEOS)、硝酸鈷六水合物、乙醇、油紅O均購自阿拉丁股份有限公司(中國上海)。PCL購自SUNP BIOTECH(中國北京)。細胞計數試劑盒-8 (CCK8)購自 Yeasen Biotechnology Co.，Ltd(中國上海)。所有引物均購自Sangon Biotech(中國上海)。

2.2 CoSi/PCL 復合支架的3D打印

CoSi/PCL復合材料支架是使用基于擠壓的3D打印技術制造的。將CoSi(重量比為0.1、0.25和0.5 wt%)和PCL在氯仿中充分混合，澆鑄到燒杯的內壁上以形成薄膜。氯仿蒸發(fā)后，將CoSi/PCL復合膜在80°C下熔化，并使用BioMakerV2(SUNP BIOTECH，中國北京)轉移到注射器中進行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，線路布線設計為0°– 45°–90°交錯直線。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行3D打印。獲得的重量比為0.1、0.25和0.5 wt%的CoSi/PCL復合支架分別命名為0.1CoSi、0.25CoSi、0.5CoSi。

三、結果

CoSi和CoSi/PCL復合支架的表征

通過溶膠-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，具備作為NIR PTT光熱劑的潛力。然后，采用3D打印技術制備了不同CoSi含量的CoSi/PCL復合支架，CoSi質量分數分別為0.1、0.25和0.5 wt%，對應0.1% CoSi、0.25% CoSi和0.5% CoSi。圖1C展示了不同復合支架的整體形態(tài)，純PCL支架為半透明乳白色，隨著CoSi加入及濃度增加，復合支架顏色從灰色變?yōu)楹谏�。SEM圖像表征了支架大孔結構和表面形態(tài)(圖1D)，表明添加CoSi不改變整體孔結構，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，對表面形態(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映射證實其分布相對均勻。

四、結論

本研究設計了3D打印的CoSi/PCL復合支架，能夠同時對乳腺腫瘤進行NIR-II PTT并促進血管化脂肪組織再生。CoSi組件在NIR-II區(qū)域表現出高光熱轉換效率，使支架能夠對深部乳腺腫瘤細胞實現卓越的光熱治療效果，而不會產生明顯的不良反應。此外，釋放的生物活性Si和Co離子不僅在體外有效促進脂肪細胞和內皮細胞的分化，而且在體內增強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一步應用提供了科學見解。

五、參考文獻

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.