具有NIR-II光热能力和增强成脂活性的3D打印CoSi/PCL复合支架用于乳房切除术后的乳...

乳房切除术后的乳房重建旨在恢复乳房的外观和功能。目前的支架往往无法满足乳房切除术后乳房重建的复杂临床需求，包括个性化塑形、预防肿瘤复发和转移以及促进脂肪组织再生。成都大学机械工程学院董志宏教授团队和浙江省组织修复材料工程研究中心陈阳教授团队等，提出了一种在通过将易于加工的生物聚合物聚己内酯(PCL)与多功能生物活性陶瓷正硅酸钴(Co2SiO4、CoSi)通过3D打印技术形成多功能CoSi/PCL复合支架。支架呈现出可控的形状，并设计了大孔结构。其光热性能在近红外(NIR) I和NIR-II区域均得到充分体现，能够以最小的副作用实现有效的肿瘤消融。此外，生物活性硅酸盐和钴离子的释放促进脂肪生成和血管生成，从而增强支架与周围组织的整合。这种方法为将肿瘤治疗与乳房重建相结合提供了一种有前途的策略，为乳房切除术后患者提供了临床相关的解决方案。

一、背景介绍

乳腺癌是全球最常见的癌症，也是女性死亡的主要病因。手术是乳腺癌主要治疗方式，患者面临部分或全部乳房切除风险，术后乳房缺陷严重影响身心健康。且手术若切除不完全，易致肿瘤复发或转移，需辅助化疗、放疗，显著降低患者生活质量。实现肿瘤完全切除和术后有效乳房重建仍是重大挑战。

具有抗肿瘤特性的植入式支架为应对这一挑战提供了条途径。基本方法包括用具有抗肿瘤能力的生物材料填充术后缺损，从而根除残留的癌细胞并防止复发，还可以替换和可能再生丢失的乳腺组织。目前增强这类支架抗肿瘤功效的策略中，基于近红外(NIR)光热疗法(PTT)的支架较常用，其利用光热剂(如金纳米颗粒等)将NIR光转化为热量以消灭癌细胞。但多数光热转化剂在第一NIR区域(NIR-I，<1000 nm)起作用，而NIR-II光热支架材料因能渗透更深组织、有更高最大允许暴露量，为乳房切除术后乳房重建带来巨大前景 。

最佳乳房重建支架，除防肿瘤复发外，还需具备合适形状、机械强度及促进脂肪组织再生的能力。3D打印等个性化定制技术，在癌症术后乳房重建中愈发重要。像由聚己内酯(PCL)构成的典型3D打印支架，常用于脂肪组织工程和乳房重建，其生物相容性佳、机械性能与降解速率可调节，能支持脂肪细胞等多种细胞粘附、增殖，大型动物及临床试验已证实其在这两方面的潜力。不过，纯PCL支架既无内在抗肿瘤特性，也缺乏积极促进脂肪组织再生所需的生物活性。

先前研究显示，可生物降解的硅酸盐生物陶瓷能持续释放具多种生物学功能的硅酸盐离子，可促进脂肪生成分化，是增强脂肪组织再生的优质候选材料。含转金属元素的硅酸盐生物陶瓷还具备NIR光热转换能力，适合用于抗肿瘤支架。本研究合成并表征了具有NIR - II 光热特性的新型可生物降解硅酸钴(Co2SiO4、CoSi)生物陶瓷(方案1)。将其与聚己内酯(PCL)结合，运用3D打印技术制成CoSi/PCL复合多孔支架。通过体外和体内实验，评估该支架的光热、抗肿瘤功效，以及对小鼠前脂肪细胞(3T3 - L1)、人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的调节作用和体内成脂活性，为乳腺癌术后创新乳房重建支架的研发提供理论与实证依据。

方案. 设计的3D打印CoSi/PCL复合支架的示意图，该支架具有NIR-II光热能力和增强的成脂活性，用于乳房切除术后的乳房重建。

二、结果

2.1材料

除另有说明外，所有化学试剂，包括四乙氧基硅烷(TEOS)、硝酸钴六水合物、乙醇、油红O均购自阿拉丁股份有限公司(中国上海)。PCL购自SUNP BIOTECH(中国北京)。细胞计数试剂盒-8 (CCK8)购自 Yeasen Biotechnology Co.，Ltd(中国上海)。所有引物均购自Sangon Biotech(中国上海)。

2.2 CoSi/PCL 复合支架的3D打印

CoSi/PCL复合材料支架是使用基于挤压的3D打印技术制造的。将CoSi(重量比为0.1、0.25和0.5 wt%)和PCL在氯仿中充分混合，浇铸到烧杯的内壁上以形成薄膜。氯仿蒸发后，将CoSi/PCL复合膜在80°C下熔化，并使用BioMakerV2(SUNP BIOTECH，中国北京)转移到注射器中进行3D打印。在90°C的温度下，使压力保持在600至700 kPa之间。打印速度设置为6 mm/s，挤出速度为0.6 mm³/s。支架打印尺寸为20 mm×20 mm×1 mm，线距为1 mm，层高为0.15 mm，线路布线设计为0°– 45°–90°交错直线。然后将这些打印样品切割成直径为8 mm的圆柱体，以备后续使用。出于控制目的，纯PCL支架也按照相同的方案进行3D打印。获得的重量比为0.1、0.25和0.5 wt%的CoSi/PCL复合支架分别命名为0.1CoSi、0.25CoSi、0.5CoSi。

三、结果

CoSi和CoSi/PCL复合支架的表征

通过溶胶-凝胶法合成的陶瓷呈黑色，扫描电子显微镜(SEM)图像(图1A)显示其颗粒大小约5-20 μm。能量色散X射线光谱(EDS)和X射线衍射(XRD)分析(图1B)证实合成的颗粒为Co2SiO4(CoSi)陶瓷。CoSi吸收光谱显示其在NIR-I和NIR-II区域吸收广泛且强，具备作为NIR PTT光热剂的潜力。然后，采用3D打印技术制备了不同CoSi含量的CoSi/PCL复合支架，CoSi质量分数分别为0.1、0.25和0.5 wt%，对应0.1% CoSi、0.25% CoSi和0.5% CoSi。图1C展示了不同复合支架的整体形态，纯PCL支架为半透明乳白色，随着CoSi加入及浓度增加，复合支架颜色从灰色变为黑色。SEM图像表征了支架大孔结构和表面形态(图1D)，表明添加CoSi不改变整体孔结构，大孔尺寸约600 μm，打印纤维直径约400 μm，孔隙率超60%。放大的SEM图像显示CoSi主要封装在支架内，对表面形态影响不大。支架横截面SEM图像(图1E和F)显示CoSi颗粒被包埋，EDS映射证实其分布相对均匀。

四、结论

本研究设计了3D打印的CoSi/PCL复合支架，能够同时对乳腺肿瘤进行NIR-II PTT并促进血管化脂肪组织再生。CoSi组件在NIR-II区域表现出高光热转换效率，使支架能够对深部乳腺肿瘤细胞实现卓越的光热治疗效果，而不会产生明显的不良反应。此外，释放的生物活性Si和Co离子不仅在体外有效促进脂肪细胞和内皮细胞的分化，而且在体内增强血管化脂肪组织的再生。本研究为PTT双功能支架在肿瘤治疗中的进一步应用提供了科学见解。

五、参考文献

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.