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Nano Lett. | 用于骨质疏松性骨修复的智能自展开纳米纤维三维弹性支架
英文原题：Smart, Elastic, and Nanofiber-Based 3D Scaffolds with Self-Deploying Capability for Osteoporotic Bone Regeneration
作者：Lihuan Wang, Yuyou Qiu, Yuxia Guo, Yang Si, Lifang Liu, Jianping Cao, Jianyong Yu, Xiaoran Li,* Qi Zhang,* and Bin Ding*
通讯作者：李晓然（东华大学）、张琦（苏州大学）、丁彬（东华大学）
对于骨质疏松性不规则骨缺损的修复仍是临床医学上面临的一大难题。与正常骨相比，骨质疏松性骨缺损的新骨形成缓慢，因此需要具有较高生物活性的移植材料，但刚性的自体骨、生物陶瓷等生物活性移植物机械可加工性差，难以实现与不规则骨缺损的紧密贴合，从而影响骨修复效果。具有形状恢复性能的多孔支架材料在不规则骨缺损处的移植和贴合方面具有优越性，然而，常见的形状可恢复材料通常缺乏无机成分、生物活性差，难以促进骨质疏松骨缺损的修复。生物活性玻璃可促进生物活性碳酸盐羟基磷灰石层的形成，具有良好的骨传导性和骨诱导性，已在临床中得到广泛应用，但其脆性大、可加工性差，难以实现微创移植及与本体骨的紧密贴合。
图1. 自展开SiO2-CaO NF/CS支架的制备及骨质疏松骨缺损修复过程示意图
针对上述研究现状，研究团队通过调控SiO2-CaO分子构象和结晶状态，制备了兼具良好柔韧性和生物活性的SiO2-CaO玻璃纳米纤维；进一步将柔性SiO2-CaO纳米纤维同壳聚糖溶液经过均质分散-冷冻干燥后制备出具有自展开性能的SiO2-CaO纳米纤维/壳聚糖（SiO2-CaO NF/CS）三维支架，用于骨质疏松大鼠颅骨缺损的修复（图1）。
研究团队首先研究了SiO2/CaO比例及煅烧条件对SiO2-CaO纳米纤维膜微观物理化学结构的影响。研究发现在非晶状态时，硅氧网络的聚合度越高，纤维柔性越好。而相同SiO2-CaO组成的纳米纤维，随着煅烧温度的升高，分子由非晶态向结晶态转变，此时产生的晶粒或缺陷会造成应力集中，导致柔性变差。而生物矿化实验表明玻璃纤维的生物活性随SiO2/CaO比例的提高而下降。因此通过控制煅烧条件和SiO2/CaO比例可调控SiO2-CaO分子构象和结晶状态，从而调控SiO2-CaO纳米纤维的柔性及生物活性。
图2. SiO2-CaO NF/CS支架的形貌结构及力学性能
研究团队进一步将兼具柔性与生物活性的85SiO2-15CaO纳米纤维与壳聚糖结合，通过均质分散-冷冻干燥技术，得到具有多孔蜂窝结构的三维SiO2-CaO NF/CS支架。在柔性纳米纤维骨架、壳聚糖弹性粘结点以及多孔蜂巢结构的共同作用下，该三维支架具有良好的形状可恢复性，使其可通过微创手术移植入不规则形状的缺损区，并在吸收体液后快速恢复到初始形状，实现与本体骨的紧密贴合（图2）。
此外，SiO2-CaO NF/CS支架的微米-纳米多级结构高度模拟骨组织细胞外基质，可促进间充质干细胞拉伸及增殖，在体外研究中表现出良好的生物相容性和生物活性。进一步建立大鼠骨质疏松模型并进行颅骨缺损修复研究发现，SiO2-CaO NF/CS支架可促进骨质疏松骨缺损修复和血管生成，在骨质疏松性骨缺损修复中展现出巨大的应用潜力。
Smart, Elastic, and Nanofiber-Based 3D Scaffolds with Self-Deploying Capability for Osteoporotic Bone Regeneration
Lihuan Wang, Yuyou Qiu, Yuxia Guo, Yang Si, Lifang Liu, Jianping Cao, Jianyong Yu, Xiaoran Li,* Qi Zhang,* Bin Ding*
Nano Lett., 2019, 19, 9112-9120, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04313
Publication Date: November 25, 2019
Copyright © 2019 American Chemical Society
导师介绍
丁彬
https://www.x-mol.com/university/faculty/75553
张琦
https://www.x-mol.com/university/faculty/18432
（本稿件来自ACS Publications）
