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骨再生材料的静电纺丝设计策略

2021-09-17

    静电纺丝技术通过特定配置的喷丝头和收集器,结合参数调整,可以制备出空心、芯壳、串珠结构等不同形态以及不同直径和独特结构的纳米纤维。由于骨的特殊分层和结构,静电纺丝纤维膜通过仿生粗糙度、动态压缩应力和层数模拟骨的自然生长状态,从而影响成骨细胞的增殖和分化。通过乳液静电纺丝、同轴静电纺丝和对预制纳米纤维的可控热处理等大量技术,可以制备出中空或者芯壳结构的纳米纤维。    乳液静电纺丝技术采用不互溶或者部分互溶的双组份共混体系,利用传统装置,可在纺丝过程中实现双组份间分离,也可以在少量表面活性剂存在的情况下,制备油包水(W/O)或者水包油(O/W)乳液进行乳液静电纺丝,两种方法都可获得芯壳结构超细纤维。乳液静电纺丝技术不要求药物和载体使用共同溶剂,乳液滴的形成还可保护药物的活性,减少其与有机溶剂的接触,因此该法适用于水溶性药物的包载及释放。例如,研究者将有机溶剂二氯甲烷、表面活性剂Span-80与载血管内皮生长因子(VEGF)的透明质酸溶胶混合,高速搅拌后获得负载均匀为微溶胶颗粒的W/O乳液,最后加入左旋聚乳酸(PLLA)和N, N-二甲基甲酰胺(DMF)获得静电纺丝溶液。同轴静电纺丝技术可以将两种材料的溶液同时通过同轴喷丝,形成的芯壳结构纤维会有清晰的界面。壳层的包裹可以避免芯层药物的初期突释,延长给药周期。芯层和壳层也可以分别负载不同的药物,实现药物的次序释放。    纳米纤维毡具有很高的总有效面积和表面粗糙度,结合其它的材料制备技术,可以设计出不同种类,适用于骨科各层次的修复材料。例如,研究者通过将负载VEGF的PLLA静电纤维丝与中和后的胶原纤维混合后于37℃自组装,获得的人造骨膜具有多层次的微纳米结构,更好地模拟了细胞外机智微环境。除此之外,还有研究报道,将介孔结构电纺丝热响应聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)膜作为模型,利用3D打印机在PNIPAm膜上打印不同的刚性PNIPAm /粘土图案,指导形成控制基材形状转变的内部应力。    近年来,具有智能特性的静电纺丝逐渐被用于骨再生。当环境中环境中出现温度、感染等刺激时,刺激响应型电纺材料会做出变化,实现可控按需的药物释放、引导细胞反应等。参考资料:[1] Wu L ,  Gu Y ,  Liu L , et al. Hierarchical micro/nanofibrous membranes of sustained releasing VEGF for periosteal regeneration[J]. Biomaterials, 2019, 227:119555.[2] Yang J ,  Han Y ,  Lin J , et al. Ball-Bearing-Inspired Polyampholyte-Modified Microspheres as Bio-Lubricants Attenuate Osteoarthritis[J]. Small, 2020:e2004519.[3] Chen T ,  Bakhshi H ,  Liu L , et al. Combining 3D Printing with Electrospinning for Rapid Response and Enhanced Designability of Hydrogel Actuators[J]. Advanced Functional Materials, 2018, 28(19):1800514.

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骨组织工程材料设计策略

2021-08-01

      成功的骨组织工程材料设计需要了解天然骨组织的组成和结构,以及适当选择仿生天然或可调谐合成材料(生物材料),如聚合物、生物陶瓷、金属和复合材料。可扩展的制造技术能够控制多个长度尺度的结构,包括三维打印和电场辅助技术,然后可以用来加工这些生物材料,使其成为适合骨组织工程的形式。 骨组织工程的目标      骨组织工程研究领域的目标是设计出优于自体骨和同种异体骨的材料,即设计可以植入骨缺损处的材料,然后利用患者自身的细胞重塑。这些材料通常以支架的形式作为细胞附着和矿化基质沉积的支持结构,在修复初期在形成组织中履行细胞外基质的作用。根据缺损部位以及患者个体情况,需要应用不同的结构和功能材料,以实现所选策略的有效性。骨组织工程材料的设计应基于健康骨组织的特征,这些特征决定了其功能,包括促进细胞和血管浸润的多孔结构、骨组织结构的各层次特异性等。 骨组织工程材料      各种类型的材料及其组合被作为具有骨组织工程应用前景的候选材料。一般来说,骨组织工程材料的选择需要考虑多种因素,具体包括预期的制造和实施策略。鉴于天然骨组织的有机和无机组成,骨组织工程应用中最常见的生物材料是聚合物、生物陶瓷和复合材料。除此之外,细胞和/或生物活性分子也可能包括在骨组织工程的材料系统。 骨组织工程材料的制备技术      除了材料特性和合成策略可决定生物材料的基本作用外,制造技术也能决定其广泛的性能,包括形态(例如孔隙结构)、理化学性质(例如降解)、机械性能(例如压缩模量)和生物学性质(例如细胞浸润)等。制造技术的选择取决于所需生物材料的形式和结构以及影响材料加工的因素。根据预期的应用和策略,常用材料可以被制成微粒或纳米粒子、纤维、凝胶、涂层、薄膜和3D结构。基于乳化液的技术是最常见的颗粒形成方法,而涂层和膜的制备通常使用浸涂、物理气相沉积、化学气相沉积和逐层沉积。 临床因素      组织工程材料的设计依赖于以下三方面的清晰理解:缺损部位、最终用户需求和材料旨在解决的功能缺陷。例如长骨和颅面部位的骨缺损对患者生活质量的影响都很严重但影响的方面又不同,因此每个临床应用的具体要求必须在设计之初就确定。      除了考虑骨缺损的部位和尺寸,患者的年龄和身体状况也影响骨再生的成功与否,在材料设计早期也应考虑到。创伤性损伤或外科肿瘤切除导致的骨缺损以及感染性骨缺损,骨组织工程材料系统应分别提供抗肿瘤或抗菌药物,,促进系统与天然组织的良好整合。       尽管骨组织工程生物材料的应用取得了相当大的进展,但仍存在挑战阻碍了进一步的临床转化,其中之一就是研究者对大多数生物材料的作用机制和由此产生的细胞反应的了解还有限,解决这一需求需要系统的研究。 Koons, G.L., Diba, M. & Mikos, A.G. Materials design for bone-tissue engineering. Nat Rev Mater 5, 584–603 (2020). https://doi.org/10.1038/s41578-020-0204-2

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