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研究背景:感染性骨缺损的治疗是骨科、口腔颌面外科、口腔种植等领域的难点。当细菌在骨组织中粘附和增殖时,骨组织的修复和再生能力将进一步受到限制。严重的感染性骨缺损（如:难治性颌骨骨髓炎、严重的种植体周围炎等）通常感染控制难、缺损面积大、缺损形状复杂,尤其难以修复。在临床中,感染性骨缺损的治疗方法通常包括:全身或局部应用抗生素,外科清除坏死骨片,较大的骨缺损还需要自体骨或骨替代物移植。然而在治疗过程中也会出现许多问题,例如:不规则形状的骨缺损难以个性化修复,过度使用抗生素导致耐药菌株出现,感染完全消除后二次手术植骨导致治疗疗程长、患者痛苦。因此,开发个性化抗菌和成骨双功能材料,优化感染性骨缺损的治疗十分必要。近几十年来,开发了许多不依赖抗生素的抗菌方法,如:基于生物活性物质的抗菌治疗、光热治疗、光动力治疗、负载抗菌肽等方式。其中,光热治疗是利用光热剂,在特定的光照下,将光能转化为热能导致靶向病变局部产生热损伤,使细菌发生受热死亡。为了治疗不规则形状骨缺损,3D打印技术为构建个性化骨组织工程支架提供策略。在临床治疗中,3D打印技术应用越来越广泛,它能精准快速地打印出特定形状的植入物,为患者提供个性化修复重建。3D生物打印还可以将材料与细胞混合,实现可控的载细胞打印和三维细胞培养。细胞的增殖分化广泛依赖于细胞与细胞、细胞与细胞外基质之间的相互作用,而这种相互作用需要三维环境提供支持。水凝胶具有疏松多孔的网络结构,利于细胞在其内部生长,并且多数水凝胶具有与细胞外基质相似的性质,能促进干细胞分化为功能组织,因此是载细胞生物墨水的最佳选择。迈克烯（MXene）是过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物,作为新兴的二维纳米材料,它具有超薄的片层结构,在抗菌性能、光热治疗和光动力治疗、生物传感、骨组织再生等方面有巨大的潜力和良好的应用前景。在抗菌方面,MXene可通过直接物理接触杀菌,也可以通过光热杀菌;在成骨方面,Ti3C2MXene释放的钛基物质可以促进成骨。水凝胶复合墨水载体由甲基丙烯酰化明胶（gelatin methacryloyl,Gel MA）、海藻酸钠（sodium alginate,Alg）和β-磷酸三钙构成。其中,Gel MA是改性的明胶,具有良好的温敏性,可在蓝光照射下交联固化,是常用的3D生物打印水凝胶载体;β-磷酸三钙（β-TCP）是一种常用的骨组织工程生物陶瓷材料,具有良好的骨传导性和可生物降解能力;Alg是从褐藻中提取的天然聚合物,可与Ca2+、Sr2+等二价阳离子进行离子交联,增加水凝胶强度并促进成骨。研究目的:3D打印MXene复合水凝胶,构建个性化结构的抗菌和成骨双功能支架,优化感染性骨缺损的治疗。研究方法:1.3D打印MXene复合水凝胶支架GTAM(Gel MA/β-TCP/Alg(Sr2+)/MXene),并对生物墨水及支架进行表征和理化性能测试。2.GTAM支架生物学性能和成骨性能评价。将GTAM生物墨水和大鼠骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs）共打印,评价支架的生物相容性,以及促进BMSCs三维增殖和成骨分化能力。3.GTAM支架抗菌性能评价。将GTAM支架分别与革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus,S.aureus）和革兰氏阴性大肠杆菌（Escherichia coli,E.coli）进行共培养,经808 nm近红外光（near-infrared,NIR）照射,评价GTAM支架抗菌能力。4.GTAM支架对体内感染性骨缺损的治疗效果评价。建立大鼠下颌骨感染性骨缺损（慢性颌骨骨髓炎）模型,在缺损处植入GTAM支架并经NIR照射,评价GTAM支架治疗感染性骨缺损的抗菌成骨能力。研究结果:1.GTAM生物墨水具有良好的流变学性质,可顺利进行3D打印;通过3D打印技术成功制备负载MXene的GTAM水凝胶支架;GTAM支架具有适宜的孔隙率和孔径、良好的机械强度和稳定性、近红外吸收能力和与骨组织再生匹配的生物降解性。2.GTAM生物墨水可与BMSCs共打印并进行3D细胞培养,GTAM支架具有良好的体外生物相容性,未使细胞产生炎症反应;GTAM支架具有良好的体外成骨性能,可促进BMSCs增殖以及成骨分化相关基因（RUNX2、ALP、OCN）和蛋白（ALP、OPN）表达。3.GTAM支架在NIR照射下,具有良好的体外抗菌性能,通过以光热为主、物理损伤为辅,破坏S.aureus和E.coli的细菌细胞膜杀菌。4.GTAM支架在NIR照射下,能够减少大鼠下颌骨感染性骨缺损处细菌粘附和炎症反应,并能促进骨再生,支架具有良好的协同抗菌成骨性能。结论:1.3D打印构建个性化MXene复合水凝胶支架GTAM,在体外和体内均具有良好的光热抗菌和骨再生能力。GTAM支架在NIR照射下,可有效治疗大鼠下颌骨感染性骨缺损。2.GTAM墨水可与BMSCs混合,实现3D细胞打印和培养,更加准确地模拟细胞在体内的生长过程。支架经过优化,在提高机械强度和促进支架内BMSCs增殖分化之间取得了良好的平衡。