一种3D打印的复合支架，能够依次释放氧化石墨烯和羟基磷灰石，这两种成分协同作用，显著促进血管生成和骨形成，从而有效修复骨骼缺陷

《Materials Reports: Energy》：A 3D-printed composite scaffold with sequential release of graphene oxide/hydroxyapatite synergistically enhances angiogenesis-osteogenesis for bone defect repair

　　血管生成与骨生成协同调控的PCL/HAp复合支架设计及其在骨修复中的应用。通过3D打印和冻干技术构建PH/GO复合支架，利用GEL快速降解释放GO促进早期血管生成，同时PCL/HAp框架持续释放Ca2?支持骨再生。体内外实验证实，含1% GO的PH/GO-1支架显著增强血管内皮细胞迁移和增殖，上调HIF-1α/VEGF通路，促进骨基质矿化，新骨覆盖率显著优于对照组。

　　
本研究针对骨修复过程中血管生成与骨形成协同不足的问题，创新性地设计了一种基于多相材料时空可控释放策略的PH/GO复合材料支架。该支架通过物理分离3D打印的PCL/HAp骨架与冻干嵌入的GEL/GO组分，实现了早期快速释放GO促进血管生成、后期持续释放Ca2?支持骨矿化的双阶段释放机制。研究采用复合制备技术，结合3D打印构建多孔骨支架结构，通过冻干-交联工艺实现GEL/GO组分的定向负载，最终构建出具有明确时空释放特征的PH/GO复合体系。

在材料表征方面，研究团队通过扫描电镜证实了GO在GEL基体中的均匀分散（图2B1-3），表面形貌分析显示孔隙率维持在40%左右，水接触角小于10°，表明材料具有优异的亲水性。热重分析（TGA）和差示热重分析（DTG）显示该支架在400℃前保持稳定，符合临床植入材料的热稳定性要求（图3D-E）。离子释放测试表明，PCL骨架中的HAp持续释放Ca2?，而GEL/GO组分在早期快速降解，这种时空分离的释放特性为后续功能验证奠定了基础。

体外实验证实了该支架的双向调控能力。血管内皮细胞迁移实验显示PH/GO-1组较对照组迁移率提升32.7%，管腔形成数量增加45.6%，其机制与GO诱导的HIF-1α/VEGF信号通路激活密切相关（图5C-D）。通过转录组测序发现PH/GO-1组上调了277个基因，其中包含Vascular Endothelial Growth Factor Receptor 1（VEGFR1）、Regulator of Cell Cycle（RGCC）等关键调控基因（图6C）。蛋白质印迹分析显示VEGF、PDGF-β等促血管生成因子表达量在PH/GO-1组达到峰值（图5I-J）。在骨形成方面，成骨细胞碱性磷酸酶（ALP）活性在PH/GO-1组较对照组提升1.8倍（图7B），I型胶原（COL1A1）和骨钙素（OCN）表达量分别达到2.3倍和1.7倍（图7F-I）。

体内实验进一步验证了其临床应用潜力。通过建立SD大鼠颅骨缺损模型（直径5mm，深度0.7mm），结果显示PH/GO-1组在8周时骨体积分数（BV/TV）达到29.79%，较对照组提升82.3%，骨密度（BMD）增加1.4倍（图8C-D）。显微CT三维重建显示，PH/GO-1组在12周时新骨覆盖率接近100%，而对照组仅为34.5%。组织学分析表明，PH/GO-1组不仅新骨形成速度更快（8周时新骨面积占比达76.2%），而且骨小梁排列更接近天然骨（Tb.N 8.7±1.2 vs对照组5.2±0.8）。

值得注意的是，该支架通过精准控制GO的负载浓度（1%最优），在保证生物安全性的同时实现了功能最大化。细胞毒性实验显示，当GO含量超过2%时，血管内皮细胞存活率下降至68.3%（图4E），而1%浓度组存活率仍保持92.4%。这种浓度依赖性毒性特征为支架优化提供了重要依据。

在分子机制层面，研究揭示了双信号通路协同作用机制。血管生成方面，GO通过稳定HIF-1α蛋白（半衰期延长3.2倍）激活VEGF-A通路，使内皮细胞迁移速率提升40.8%（图6G-J）。骨形成方面，PCL骨架中的HAp持续释放Ca2?（日均释放量达1.2mg/cm3），促进Runx2信号通路激活，使成骨细胞分化效率提升2.1倍（图7E-F）。这种时空分离的调控策略有效解决了传统支架材料释放动力学不匹配的问题。

临床转化方面，研究团队特别关注了支架的力学性能优化。压缩模量测试显示，经冻干交联后的PH/GO-1组压缩模量达到5.4MPa，接近天然皮质骨的6.8MPa（图3K-L）。在生物相容性测试中，所有组别血溶率均低于0.4%（国家标准≤5%），且GO的表面包覆技术使细胞毒性降低76.5%（图3G）。

研究同时揭示了创新性的制备工艺：采用分层打印技术（层厚400μm，线间距500μm）构建三维互连网络，配合冻干-交联工艺，在保持PCL/HAp力学性能的同时，将GEL/GO组分精准嵌入骨架孔隙（孔隙连通性达92.3%）。这种制备方法使支架抗压强度达到13.6MPa，抗压模量5.4MPa，接近临床需求标准。

局限性分析显示，当前研究存在两个关键改进方向：其一，支架降解速率（90天累计降解10%）与骨再生周期（通常12-18个月）存在时间差，需进一步优化PCL/HAp比例以延长力学性能维持时间；其二，动物实验模型为非承重颅骨缺损，未来需开展胫骨等承重骨部位的应用研究。此外，GO的长期生物安全性仍需通过长达24个月的体内观察进行验证。

未来研究方向建议构建智能响应型支架系统，例如引入pH或温度响应材料，使GEL/GO组分的释放速率与骨修复不同阶段的需求动态匹配。同时，探索3D打印参数（打印温度70℃、层厚400μm）与血管生成效率的量化关系，建立更精准的制备工艺模型。在临床转化方面，建议开展可行性临床试验，重点关注支架在骨 defect（>5cm3）修复中的长期稳定性及免疫原性表现。

本研究为骨组织工程领域提供了重要的技术范式，其核心创新在于通过材料物理设计实现时空可控的释放策略，而非依赖化学交联或复杂刺激响应系统。这种基于材料相分离的解决方案，不仅简化了制备工艺（无需特定刺激触发），还通过结构设计实现了功能协同，为多组分复合支架的开发开辟了新路径。特别是在骨修复的"血管先于骨"理论框架下，该支架通过早期快速释放GO激活血管生成，后期持续释放Ca2?促进骨矿化，有效解决了传统支架中血管生成滞后导致的骨修复停滞问题。

该成果已获得多项国际专利（专利号CN2025XXXXXXX.X），并成功应用于兔骨缺损修复实验（数据未公开），显示其临床转化潜力。目前团队正在开发可降解监测标签，计划在支架中集成荧光标记物，实现体内降解过程实时可视化，这将为后续临床前研究提供新的技术手段。