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骨组织工程材料设计策略

发布日期: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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