科幻版新技术！复合材料与骨再生

一、背景

骨骼对动物的重要性毋庸置疑，因为骨骼是生物体的基本结构。骨骼的完整性是人体各种活动的基本保证。然而，由外伤、肿瘤、炎症、骨坏死和骨质疏松症引起的骨缺损正在成为对人类健康的严重威胁。因此，用于骨重建的原位再生将是临床上的一大挑战。

近年来，通过生物材料特殊的理化性质，控制细胞外部微环境，引导内源性细胞在骨缺损部位诱导骨重建的原位骨组织工程（BTE）得到深入探索。其中，水凝胶已成为具有高吸水性的三维（3D）聚合物网络的最佳生物材料，从而为细胞提供类似于天然细胞外基质（ECM）的3D微环境，并促进营养物质的运输。尤其是可注射水凝胶，由于其可注射的特性，可以填充在不规则部位，进一步诱导原位骨生长，引起了人们的广泛关注。通过提供化学组成和物理结构的线索来招募内源性细胞，可注射水凝胶可以设计为功能性替代品。

然而，常规水凝胶在骨科应用中受到机械性能的限制。双网络 (DN) 水凝胶由两种具有不对称结构的聚合物组成，其中在刚性和脆性网络中可以有效地耗散能量，而软性和延性网络在变形过程中保持水凝胶的完整性。壳聚糖 (CS) 基水凝胶是一种由甲壳素制备的天然聚阳离子多糖，具有良好的生物相容性、抑菌性和生物降解性，已广泛应用于骨组织工程领域。聚丙烯酰胺 (PAM) 因其优异的柔韧性，生物相容性和亲水性而成为生物医学研究中最常用的合成材料之一。鉴于这些考虑，科学家致力于开发多功能生物材料，以解决OS术后治疗的关键问题。

二、文献分析

1、用于抑制骨肉瘤复发和促进骨再生的纳米复合多功能水凝胶

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134896

骨肉瘤 (OS) 是最常见的骨原发性恶性肿瘤。几十年来，抑制手术后OS复发和潜在的骨形成仍然是一个挑战。具有肿瘤治疗和骨再生双重功能的创新生物材料已成为OS治疗的有前途的策略。

作者团队开发了一种由氧化镁纳米粒子 (M-NPs) 核心和2-甲基丙烯酸氨基乙酯 (2-AM) 接枝聚多巴胺 (PDAM) 壳组成的生物活性纳米粒子 (MDA-NPs)。将膦酸酯改性的甲基丙烯酰胺壳聚糖（CMP）和聚丙烯酰胺（PAM）制备成预凝胶，然后制备一系列的MDA-NPs纳米复合材料，浓度分别为0 mg/mL、0.5 mg/mL、2.5 mg/mL、5 mg /mL 和 10 mg/mL 分别合并并编码为 CMP@PAM、0.5NP/CMP@PAM、2.5NP/CMP@PAM、5NP/CMP@PAM、10NP/CMP@PAM。

作者发现 5NP/CMP@PAM 水凝胶表现出平衡的光热效应、机械性能和成骨作用，MDA-NPs 可用作共交联剂、光热剂和 Mg2+ 储层。5NP/CMP@PAM水凝胶和近红外（NIR）激光照射可以有效抑制人OS细胞，实现在体外和体内完全抑制肿瘤复发。释放的 Mg2+ 有效促进小鼠胚胎成骨前体细胞 (MC3T3-E1) 的成骨活性，并且 5NP/CMP@PAM 水凝胶在严重颅骨缺损大鼠模型中表现出高效的骨修复性能。总之，5NP/CMP@PAM水凝胶表现出优异的抑制OS复发和修复骨缺损的双重功能。这种新颖的多功能生物活性水凝胶为 OS 的协同术后治疗提供了令人鼓舞的想法。

2、用于原位骨再生的机械增强可注射生物活性纳米复合水凝胶

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132799

明胶-甲基丙烯酰基 (GelMA) 因其低抗凝性、适宜的生物降解性和与ECM的相似性而在组织工程中受到广泛关注。然而，由于缺乏成骨因子或其他矿物质离子，诱导原位骨再生用于骨缺损仍然是一个挑战。在这项研究中，作者团队开发了一种新型的可注射有机-无机纳米复合凝胶水凝胶体系掺杂的Sr-取代的硬硅石 (Sr-CSH) 纳米纤维。Sr-CSH纳米线的集成改善了GelMA水凝胶的机械性能。此外，GelMA/Sr-CSH水凝胶通过激活ERK/p38信号通路促进细胞粘附、增殖，ALP活性以及成骨基因 (BSP，OPN和OCN) 和血管生成基因 (VEGF，ANG-1和CD31) 的表达。此外，在大鼠颅骨缺损模型中原位骨再生的体内结果表明，Sr-CSH纳米线的掺入显然可以加速GelMA的新骨形成。总体而言，制备的GelMA/Sr-CSH水凝胶系统的可注射有机-无机纳米复合材料对于骨缺损区域的原位骨再生具有巨大的潜力。

3、在Mg-Ca-Zn-Ag合金上构建氢氧化镁/氧化石墨烯/羟基磷灰石复合涂层，以抑制细菌感染并促进骨再生

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.02.030

在作者的研究中，由内氢氧化镁、中间氧化石墨烯和外羟基磷灰石 (Mg(OH)2/GO/HA) 组成的新型纳米复合涂层通过水热处理、电泳沉积和电化学沉积的组合策略构建在Mg-0.8Ca-5Zn-1.5Ag的表面上。材料特性和电化学腐蚀测试结果表明，三种涂层均具有较高的结合强度、亲水性和耐腐蚀性。体外研究表明，Mg(OH)2确实提高了底物的抗菌活性。接下来的GO和GO/HA包衣程序既促进了MC3T3-E1细胞的成骨分化，又对Mg(OH)2包衣的抗菌活性没有损害，但后者的促进效果最好。体内研究表明，具有复合涂层的镁合金不仅可以改善细菌入侵引起的骨溶解，而且可以在正常和感染条件下促进骨再生。当前的研究为开发具有良好的耐腐蚀性，抗菌能力和成骨活性的多功能Mg基植入物提供了一种有前途的表面改性策略，以扩大其生物医学应用。

4、使用共轭生物可吸收纳米复合材料增强骨再生的超亲水3d打印支架

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136639

作者的目的是研究基于聚合物的支架上细胞粘附，生长，增殖，分化和迁移的增强。为了实现这一目标，将碳点 (CDs) 与聚 (L-丙交酯) 酸或PLA熔融混合，然后通过双光子显微镜快速成型以产生具有亲水性和内置监测机会的光致发光支架。除此之外，作者团队发现通过氧等离子体处理可以增强生物环境中的细胞增殖和迁移，从而实现聚合物的超亲水性。碳点引入纳米级粗糙度，等离子体在支架上结合了亲水性氧和羟基。在7分钟的血浆处理后，发现PLA-CD表面获得超亲水性 (接触角为0 °)，并且细胞增殖相对于未处理的支架增加70%。定量分析和生物成像显示ECM矿化显著增加。因此，经过等离子体处理的PLA-CD复合材料具有生产用于组织工程的高性能，可监控的支架的潜力。

5、压阻式 MXene/丝素蛋白纳米复合水凝胶通过重建电微环境加速骨再生

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.08.025

电微环境在骨修复中起着重要作用。然而，电刺激 (ES) 促进骨再生的潜在机制仍不清楚，这限制了骨微环境特异性电活性材料的设计。

在这篇文献中，作者团队通过在生理温度下在水性悬浮液中简单地共同孵育，发现生物相容性再生丝素蛋白 (RSF) 在MXene纳米片上组装成具有 β-片层结构的纳米原纤维，其抑制了MXene的再折叠和氧化。因此，作者团队制备了一种基于RSF和生物封装MXene的电活性水凝胶，以促进高效的骨再生。这种MXene/RSF水凝胶还充当压阻式压力传感器，可潜在地用于监测电生理微环境。进行RNA测序以探索潜在的机制，这些机制可以激活Ca2+ /CALM信号，从而有利于直接成骨过程。发现ES通过促进M2巨噬细胞的极化以及刺激内皮细胞的新生和迁移来促进间接成骨。在体内ES下，使用MXene/RSF水凝胶观察到骨再生和血管生成的一致改善。总的来说，MXene/RSF水凝胶为促进直接成骨，调节ES下的免疫微环境和新血管形成提供了独特而有前途的策略，从而为骨再生重建电微环境。