3D/4D printed bio-piezoelectric smart scaffolds for next-generation bone tissue engineering

Piezoelectricity in native bones has been well recognized as the key factor in bone regeneration.Thus,bio-piezoelectric materials have gained substantial attention in repairing damaged bone by mimicking the tissue’s electrical microenvironment(EM).However,traditional manufacturing strategies still encounter limitations in creating personalized bio-piezoelectric scaffolds,hindering their clinical applications.Three-dimensional(3D)/four-dimensional(4D)printing technology based on the principle of layer-by-layer forming and stacking of discrete materials has demonstrated outstanding advantages in fabricating bio-piezoelectric scaffolds in a more complex-shaped structure.Notably,4D printing functionality-shifting bio-piezoelectric scaffolds can provide a time-dependent programmable tissue EM in response to external stimuli for bone regeneration.In this review,we first summarize the physicochemical properties of commonly used bio-piezoelectric materials(including polymers,ceramics,and their composites)and representative biological findings for bone regeneration.Then,we discuss the latest research advances in the 3D printing of bio-piezoelectric scaffolds in terms of feedstock selection,printing process,induction strategies,and potential applications.Besides,some related challenges such as feedstock scalability,printing resolution,stress-to-polarization conversion efficiency,and non-invasive induction ability after implantation have been put forward.Finally,we highlight the potential of shape/property/functionality-shifting smart 4D bio-piezoelectric scaffolds in bone tissue engineering(BTE).Taken together,this review emphasizes the appealing utility of 3D/4D printed biological piezoelectric scaffolds as next-generation BTE implants.

组织工程治疗股骨头坏死软骨下分离的适用技术

背景:股骨头坏死出现新月征是病情进程的“分水岭”,修复和稳定骨-软骨界面对阻止病情继续进展和预防股骨头塌陷尤为重要。利用组织工程学同步修复、整合骨-软骨界面具有潜在优势。目的:综述探讨解决股骨头坏死软骨下分离的潜在适宜技术。方法:检索1970年1月至2023年4月PubMed、Web of Science及中国知网、万方数据库中发表的相关文献,英文检索词:“Femoral head necrosis,Avascular necrosis of femoral head,Osteonecrosis of femoral head”等,中文检索词:“股骨头坏死,软骨下骨,软骨,软骨与软骨下骨整合”等,最终纳入114篇文献进行综述分析。结果与结论:①结构缺陷、缺血缺氧环境、炎症因素和应力集中可能造成股骨头坏死软骨下分离现象,软骨下骨分离会造成塌陷进展,并且可能与保髋手术失败相关,利用组织工程支架实现支架与骨-软骨界面的整合是治疗股骨头坏死软骨下分离的潜在方法之一。②目前的文献研究表明,多相、梯度支架和复合材料在促进骨、软骨细胞黏附与增殖,骨软骨基质的沉积方面均有提升,有助于支架与骨-软骨界面的整合,对治疗股骨头坏死软骨下分离有参考价值。③通过对支架表面进行修饰可以提高与界面整合的效率,但有各自不同的优缺点,提供不同环境的支架能够诱导同种间充质干细胞差异分化,有助于不同界面之间的整合。④未来有望应用于股骨头坏死软骨下分离的支架应为复合材料,具有梯度化和差异化的仿生结构,通过表面修饰和干细胞加载促进骨-软骨界面与支架的整合以实现治疗目的,但仍需进一步研究验证,而支架的降解速率与修复进度同步和不同界面之间的稳定性是未来需要解决的主要问题。

纳米复合甲基丙烯酰明胶水凝胶在不同骨缺损环境中应用的价值

背景:近年来,纳米复合甲基丙烯酰明胶水凝胶在修复骨组织损伤方面的研究备受关注。目的:综述应用于骨组织工程的纳米复合甲基丙烯酰明胶水凝胶近年来的最新进展,举例说明纳米复合甲基丙烯酰明胶水凝胶在不同骨缺损环境中的应用。方法:应用计算机检索中国知网、万方、PubMed和Web of Science数据库2016-2023年发表的相关文献,中文检索词为:“明胶,甲基丙烯,纳米,骨,骨组织工程,骨再生,成骨”,英文检索关键词为“gelatin,methacryl*,nano*,bone,bone tissue engineering,bone regeneration,osteogenesis”。结果与结论:①当前作为甲基丙烯酰明胶填料的纳米材料包括无机纳米材料、有机纳米材料以及有机-无机纳米杂化材料。②无机纳米材料可有效提高水凝胶的力学强度、触变性能,调节其降解时间,同时还可通过调节自身表面电荷、搭载药物/因子、自身降解释放金属离子等方式,实现水凝胶的抗菌、促骨形成、免疫调节、促血管生成等功能。③有机纳米材料、有机-无机纳米杂化材料复合甲基丙烯酰明胶水凝胶是两类新兴的材料,目前研究相对较少,但从已发表的研究来看,相比无机纳米材料复合甲基丙烯酰明胶水凝胶,有机纳米材料复合甲基丙烯酰明胶水凝胶的生物相容性及载药性能更佳,纳米相与有机聚合物相间的相互作用更强,纳米粒子的分散性更好。④有机-无机纳米杂化材料复合甲基丙烯酰明胶水凝胶结合了前二者的优势,且金属离子释放可控性更佳,具有巨大的研究潜力。⑤纳米材料可增强甲基丙烯酰明胶水凝胶的抗菌、免疫调控、促成骨等生物学性能,以促进感染性骨缺损、伴糖尿病骨缺损、骨肉瘤切除术后等复杂骨缺损环境下的骨再生。然而,纳米复合甲基丙烯酰明胶水凝胶用于骨缺损修复中的研究还仅限于动物实验,仍需要进行更多的安全性评价和临床试验。

骨免疫调节特性骨组织工程支架在修复骨缺损中的应用和发展

背景:在使用骨支架修复骨缺损时,注意骨免疫反应的调节对骨再生具有重要意义。目的:综述骨免疫反应对骨修复的影响和具有调节骨免疫功能的骨组织工程支架的设计和其在骨修复中的应用。方法:从Science Direct、PubMed、Web of Science与中国知网数据库中检索1973-2023年发表的相关文献。英文检索词:“Osteoimmunology,Macrophages,Bone repair materials,Bone scaffold,Bone defects,Bone regeneration”;中文检索词:“骨免疫,巨噬细胞,骨修复材料,骨支架,骨缺损,骨再生”,对筛选出该领域最新研究进展的80篇文献进行归纳分析。结果与结论:①文章详细梳理了骨免疫的起源和发展进程中的重要时间点,并阐述了巨噬细胞作为骨免疫调控体系中重要成员,可分为M1(促炎)和M2(抗炎)两类表型,并在骨再生的不同时期发挥着关键作用。在炎症期,M1型巨噬细胞一方面能激活破骨细胞,启动组织修复进程,同时参与骨内微血管网的重建,另一方面炎症后期的骨组织再生过程中,持续高表达M1型巨噬细胞会阻碍新骨形成;而在修复期,M2型巨噬细胞一方面可分泌成骨细胞因子,刺激骨髓间充质干细胞的成骨分化和矿化,进而促进骨形成,另一方面,长期激活的M2型巨噬细胞会增加促纤维化分子的分泌,导致瘢痕组织的过度形成,从而延迟愈合过程。因此调控巨噬细胞在适宜的阶段进行表型转换,构建有益于成骨的免疫微环境对骨再生意义巨大。②在设计具备骨免疫调控特性的骨支架过程中,可通过改变支架粗糙度、孔隙结构、刚度、亲水性、表面电荷、表面官能团等理化性质影响非特异性蛋白质和细胞黏附,从而影响骨支架与免疫系统的相互作用。而将羟基磷灰石,生物活性玻璃、金属离子、细胞外基质、药物、细胞因子和外泌体等生物活性物质进行表面功能涂层设计,则可在植入机体之后通过释放生物活性物质,主动调控免疫微环境,影响巨噬细胞极化和巨噬细胞与骨骼细胞之间的串扰,促进巨噬细胞更多的M2极化,构建出有利于骨再生的骨免疫微环境。③基于骨组织工程支架的研发,除了关注干细胞成骨分化的直接调控因素外,还应注重对干细胞分化的免疫微环境的管理,通过调控适宜的骨免疫微环境,诱导更多的干细胞成骨分化,增强支架的成骨效能,并凝练出“骨免疫调节特性”的理念,深入阐明了骨免疫微环境的多向调节作用并介绍了现有改变支架理化性能和表面功能涂层策略赋予支架骨免疫调控潜能的策略,为指导新一代具有骨免疫调控特性的骨组织工程支架的研发提供新思路。但是骨免疫微环境是一个动态平衡状态,现有研究的调控策略多数未顾虑到调控的动态匹配性,因此针对具有高效且靶向调控免疫微环境的智能骨免疫调控支架的研发,是未来学者研究的重点关注方向。

中药有效成分结合骨组织工程材料用于骨修复

背景:如何修复骨缺损一直以来是临床难题,中药有效成分在骨修复方面具有良好的生物活性与治疗效果,将中药有效成分与组织工程材料相结合在骨修复领域具有广阔的前景。不同中药有效成分与支架的组合在作用关系方面具有相似之处。目的:搜集常见的中药有效成分与支架材料组合的案例,基于七情配伍的启发将组织工程支架与中药有效成分类比为产生配伍关系的两类中药,以二者的作用关系为纲进行归纳总结。方法:检索1998年1月至2024年1月Pub Med和中国知网数据库中发表的相关文献,英文检索词:“traditional Chinese medicine,Chinese medicine,traditional Chinese medicine monomers,bone defect,bone repair,bone tissue engineering,tissue engineering,scaffold”,中文检索词:“中药,中药有效成分,中药单体,骨组织工程,骨组织工程支架,支架,组织工程,骨缺损,骨修复”,最终纳入88篇文献进行综述分析。结果与结论:(1)组织工程支架材料与中药有效成分各自均在骨修复领域有广泛的运用,二者在成骨方面优势明显但仍有许多缺陷,许多研究致力于将二者制备成复合材料,希望通过二者间的相互作用发挥减毒增效作用。(2)一些药物与材料在成骨、抗菌、促血管生成方面能互相促进,增强原有的效果,受到传统方剂配伍观念的启发,文章将其归纳为“相须”关系,并举实例佐证。(3)一些药物能提高材料的强度,而某些材料能对负载于其上的药物实现缓释控释效果、增加载药量与稳定性,或是进行靶向递送,文章将这种单方面的提升效果归纳为“相使”关系。(4)一些中药与材料搭配使用能减少对方的毒副反应,文章将这种减毒关系归纳为“相畏相杀”。(5)文章得出了一个由七情配伍关系启发、基于作用关系分类的关于中药复合支架的全新视角,将中药传统观念引入组织工程领域,为后续复合支架的研究者提供新的研究思路,并在选材搭配方面提供一定的便利。

海藻酸盐复合凝胶在骨组织工程中的研究进展

骨组织工程支架是以修复缺损的骨并恢复其功能为目的而开发出的人工支架。海藻酸盐是世界上含量最丰富的海洋生物高分子聚合物,其在骨组织工程材料中的应用已被大量研究报道。虽然海藻酸盐作为骨组织支架材料具有优异的生物相容性、良好的生物可降解性和无免疫原性等优点,但是仍存在机械强度较弱、缺乏细胞特异性结合位点、支架结构在生理环境中易被破坏等缺点,严重限制其在骨组织工程中的应用。目前,研究者已经研究出几大类海藻酸盐复合支架材料,这些材料均表现出优异的力学性能和生化性能,因此,海藻酸盐复合支架材料可能在骨组织修复和再生方面具有较高的应用价值。本文主要针对海藻酸盐复合支架材料在骨组织工程中的应用作简要概述。

不同含量B_(2)O_(3)对生物活性玻璃支架力学性能与生物活性的影响

背景:生物活性玻璃骨修复材料具有骨结合能力、骨诱导能力及骨传导特性,但目前生物活性玻璃的性能尚不符合临床应用要求,添加硼元素有望改善生物活性玻璃的性能。目的:研究不同含量B_(2)O_(3)替代SiO_(2)对生物活性玻璃力学性能及生物活性的影响。方法:以含磷氮氧生物活性玻璃(成分为:SiO_(2)-CaO-ZnO-Na2O-Si3N4-P2O5)为基础,以B_(2)O_(3)部分替代其中的SiO_(2),采用高温熔融法烧制含B_(2)O_(3)质量分数分别为0%(A组),5%(B组),10%(C组),15%(D组)的基础玻璃(基础玻璃中SiO_(2)与B_(2)O_(3)的质量分数总和为41%),采用有机泡沫浸渍法制作多孔生物活性玻璃支架,利用万能力学试验机单轴压缩和三点弯曲法测试力学性能;将4组支架浸泡于模拟体液中,检测支架的降解性能,利用扫描电镜观察浸泡前后支架的形貌变化,以及X射线衍射分析浸泡前后的支架物相组成。结果与结论:①随着B_(2)O_(3)质量分数的增加,多孔生物活性玻璃支架的抗压强度与抗弯强度升高,4组支架的抗压强度与抗弯强度比较差异有显著性意义(P≤0.05);②浸泡于模拟体液中后,随着时间的延长,多孔生物活性玻璃支架逐渐降解;相同浸泡时间点下,随着B_(2)O_(3)质量分数的增加,支架的降解速率加快,4组支架的抗压强度与抗弯强度比较差异有显著性意义(P≤0.05);③浸泡于模拟体液后的扫描电镜显示,A、B组浸泡1 d后表面沉积大量的颗粒状物质,3 d后表面的颗粒状物质相互融合形成薄膜样沉积,7 d后表面的薄膜即相互融合成片,基本覆盖整个试件表面;C组浸泡1 d后表面形成薄膜样物质沉积,3 d后表面的薄膜即相互融合成片,基本覆盖整个试件表面;D组浸泡1 d后可见基本覆盖整个试件表面的片状物质;④浸泡于模拟体液中1 d后的X射线衍射分析显示,4组支架表面的沉积物为结晶态的羟基磷灰石;⑤B_(2)O_(3)替代部分SiO_(2)会增强多孔生物活性玻璃支架的力学性能、降解性能及体外矿化活性。

中药有效成分结合支架材料促进骨组织再生

背景:随着淫羊藿苷、黄连素等中药被证实可以促进骨再生,研究者将中药活性成分与骨组织工程相结合,发现其在骨缺损的修复中具有独特优势。目的:从促进成骨的中药有效成分出发,筛选其与不同载药支架材料有效结合的案例,归纳总结有潜力应用于骨组织工程的中药有效成分。方法:应用计算机检索中国知网、万方、PubMed、Web of Science等数据库,以“骨组织工程,骨组织工程支架材料,骨缺损,骨修复,骨再生,中医药”为中文检索词,以“bone tissue engineering,bone tissue-engineered scaffold materials,bone defect,bone repair,bone regeneration,traditional Chinese medicine”为英文检索词,检索时限限定为2000-2023年,根据纳入和排除标准进行筛选,最终纳入87篇文献进行综述。结果与结论:促进骨再生的中药有效成分种类繁多,主要包括黄酮类化合物、非黄酮类多酚、生物碱、苷类,有消炎止痛、促进成骨细胞和抑制破骨细胞以及促进血管早期生成的作用。中药有效成分与骨组织工程结合后在抗炎、加速胶原蛋白和骨骼形成、促进成骨基因表达等方面效果显著,为中药在骨组织再生中的应用提供了理论依据,同时为骨缺损修复提供了新的思路。

小檗碱促进骨再生的机制、安全性及在骨组织工程中的应用

背景:小檗碱具有诱导各种间充质干细胞在正常状态和高糖、感染及炎症等特殊状态下成骨分化的潜力,可替代生长因子诱导种子细胞成骨,是一种具有骨诱导潜力的天然小分子药物,在骨组织工程领域有着巨大的应用前景。目的:回顾和总结小檗碱成骨机制及效能,尤其是在高糖、感染及炎症环境下的成骨潜力,以及小檗碱生物安全性方面的研究进展,为其在骨组织工程中的发展应用提供理论依据。方法:在PubMed、万方及中国知网数据库,以英文检索词“berberine,bone defects,bone repair,bone regeneration,osteoinductive,osteoporosis,osteoblast,osteoclast,bone tissue engineering,bone,high glucose,diabetes,inflam*,infect*”,中文检索词“黄连素,小檗碱,骨缺损,骨修复,骨再生,骨诱导,骨质疏松,成骨细胞,破骨细胞,骨组织工程,骨,高糖,糖尿病,炎症,感染”进行文献检索,最终筛选后纳入105篇文献进行综述。结果与结论:(1)小檗碱能用于治疗包括骨病在内的多种疾病,其具有促进骨再生作用,文章系统综述了小檗碱对骨再生作用机制及体内外研究。(2)研究表明小檗碱能够通过促骨生成、抑制破骨细胞形成及其活性、抗骨质疏松等方面发挥骨修复作用,主要通过参与Wnt/β-catenin,PI3K/AKT,EGFR/MEK/p38MAPK,cAMP/PKA/CREB和ERK等信号通路,表现出优异的成骨诱导分化潜力。(3)小檗碱还可以解除因高糖、感染及炎症引起的细胞成骨分化抑制,这为治疗患有糖尿病的骨缺损患者或骨缺损部位有感染及炎症的患者提供了更多可能。(4)小檗碱还具有毒性小、价格低廉和易于获取(目前已经能够人工合成)等优点,是较为理想的骨诱导潜力药物。(5)近年来应用小檗碱治疗骨缺损趋于局部使用,主要通过与骨组织工程技术结合改善生物利用度,在动物实验中表现出良好的骨修复作用和生物安全性,而且临床前实验表明,小檗碱在糖尿病、局部感染及炎症状态下仍然表现出优秀的骨再生潜力。(6)未来还需要更多的研究完整地揭示小檗碱的成骨机制和生物安全性等问题,并寻求最合适的控释载体制作出机械强度、疗效及生物安全性均佳的人工骨替代材料。

丝素蛋白基骨修复材料的应用研究进展

为拓展和促进丝素蛋白材料在骨再生领域中的应用,综述了近年来丝素蛋白骨修复材料的研究进展,简要概括了丝素蛋白骨修复材料的种类和制备方法,重点阐述了丝素蛋白骨修复材料的仿生设计以及力学性能和成骨性能的调控方法。分析发现:丝素蛋白基薄膜、水凝胶和多孔支架均能诱导骨再生;调控分子量、β-折叠结构或形成定向通道可有效提高材料的力学性能;与羟基磷灰石复合不仅能提高力学性能还可促进成骨分化;同时,负载细胞或生长因子可显著增加新生骨的体积,进而修复大尺寸骨缺损。最后,总结使用丝素蛋白修复骨缺损存在的问题,并指出丝素蛋白支架的仿生设计以及保持生长因子或种子细胞的活性仍是未来研究中考虑的重点。

聚偏二氟乙烯压电泡沫支架制备及其骨诱导活性

背景:骨是一种天然压电材料,具有仿生压电效应的组织工程材料可应用于骨组织缺损的修复。目的:基于固相力化学技术制备一种有促成骨能力的压电支架材料,表征其对成骨细胞黏附、增殖和成骨分化能力的影响。方法:通过固相剪切碾磨技术混合不同质量比例的聚偏二氟乙烯及NaCl粉体(质量比分别为60∶40、50∶50、40∶60、30∶70),熔融下形成块状材料后通过纯水溶解去除NaCl,最终制备得到具有不同孔隙率的聚偏二氟乙烯压电泡沫支架(依次命名为PVDF-40、PVDF-50、PVDF-60、PVDF-70)。表征各组支架表面形貌、晶相构成、热力学行为、机械性能、压电性能。将4组支架分别与MG63细胞共培养,检测支架的生物相容性及促成骨分化能力。结果与结论:①扫描电镜下可见4组支架具有多层级孔隙,随着混合粉体中NaCl质量分数的增加,支架的孔隙率升高;X射线能量色散谱、X射线衍射图谱、傅里叶变换红外光谱及热失重分析结果显示,4组支架材料主体为不具压电性的α相,固相力化学激发出更多β相,以增强其压电性能,其中PVDF-60组β相含量占比最高;循环压缩测试及压电性能测试结果显示,PVDF-60组相较其他组拥有更高的压缩强度和压电性能;②扫描电镜与激光共聚焦显微镜下可见MG63细胞良好地黏附于4组支架表面,细胞形态良好并伸出较多的伪足、分泌大量细胞外基质;CCK-8实验显示,PVDF-60组培养4 d的细胞增殖吸光度值高于其他3组(P<0.0001);碱性磷酸酶染色及茜素红染色显示,PVDF-60组碱性磷酸酶表达与钙化结节数量均高于其他3组(P<0.01,P<0.0001);③聚偏二氟乙烯压电泡沫支架均具有较好的细胞相容性,其中PVDF-60组具有更优异的力学性能、压电性能和骨诱导能力。

石墨烯族纳米材料调控骨再生微环境的研究进展

石墨烯族纳米材料(graphene‐family nanomaterials,GFNs)以其卓越的机械性能、生物相容性和促进干细胞成骨分化的能力而在骨组织工程领域备受关注。GFNs在调控骨再生微环境中发挥了多方面的作用。首先,GFNs本身微观形态能够激活黏着斑激酶/细胞外调节蛋白激酶(focal adhesion kinase/extracellular regulated protein kinase,FAK/ERK)信号通路,促进成骨相关基因的表达。其次,GFNs适应骨组织的机械强度,有助于维持骨整合,并通过调整细胞外基质的硬度,借助黏着斑(focal adhesions,FAs)将基质的力学信号传递到胞内,创造良好的理化微环境;此外,它们还能调节骨缺损部位的免疫微环境,引导巨噬细胞向M2型极化,并影响相关细胞因子的分泌。GFNs还可作为生物活性分子的缓释载体,兼具促进血管形成和抗菌能力,从而加速骨缺损的修复过程。同时,GFNs通过多种形式调控骨再生微环境,包括支架材料、水凝胶、生物薄膜和植入物涂层等。尽管GFNs在骨组织工程领域引起广泛关注,但其在骨组织再生方面的应用仍处于基础实验阶段。为了推动GFNs进入临床应用阶段,需要提供更充分的生物相容性证据,明确诱导干细胞成骨分化的机制,并开发更高效的材料应用形式。

温敏性bFGF/Dex脂质体-水凝胶复合支架的神经化骨再生评价

目的:利用脂质体同时包载具有促进神经分化作用的碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)和成骨诱导小分子(Dex),与海藻酸钠溶液混合,构建一种具有温敏性和可注射性的bFGF/Dex脂质体-水凝胶复合支架,评价复合支架促进神经分化和新骨再生的作用。方法:通过薄膜分散法制备bFGF/Dex脂质体,与RGD多肽活化后的海藻酸钠溶液混合,通过自由基聚合反应合成温敏性bFGF/Dex脂质体-水凝胶复合支架。使用Zeta粒径仪检测脂质体的粒径、多分散度和Zeta电位,扫描电镜观察支架的微观结构,利用万能材料试验机测定支架的机械强度,通过RT-PCR和免疫荧光染色检测bFGF促进hBMSCs成神经分化相关基因和蛋白的表达。构建兔颅骨缺损模型,通过micro-CT及免疫组织化学染色,评价复合支架在体内促进神经化骨再生的作用。采用SPSS 26.0软件包对数据进行统计学分析。结果:成功构建温敏性bFGF/Dex脂质体-水凝胶复合支架,该支架在常温下(25℃)呈溶液状态且具有流动性,大于临界温度(32℃)时可迅速转变为凝胶状态。支架表面呈疏松多孔的蜂窝状,能够承担一定应力。体外成神经相关基因和蛋白表达提示,bFGF在诱导hBMSCs成神经分化中具有重要作用。动物实验结果表明,复合支架具有高效促进神经化骨再生的作用。结论:具有温敏性、可注射性和突出生物功能的智能bFGF/Dex脂质体-水凝胶复合支架,为颌骨缺损修复提供了新的材料。

BMP-2/mBGPs/PLGA复合支架对唇腭裂骨缺损修复的体内外研究

为制备具备促进成骨和血管生成能力的人工多孔生物材料支架并探索其性能,本研究采用引入扩孔剂的水热合成法制备了大孔径介孔生物活性玻璃(mBGPs),通过真空浸渍法将骨形态发生蛋白-2(BMP-2)负载到mBGPs介孔中,随后结合溶剂浇铸粒子沥滤法成功制备了BMP-2/mBGPs与PLGA复合支架。材料表征结果表明,mBGPs呈空心球壳形式,为非晶相结构,具有无序的三维泡沫孔道结构,能持续溶出钙离子、磷酸根离子和硅酸根离子,同时mBGPs具有蛋白质负载和缓释的能力。体外实验结果表明,BMP-2/mBGPs/PLGA多孔支架利于大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的黏附与增殖,能显著提高生物活性物质的分泌和表达。大鼠牙槽骨缺损动物模型的修复实验表明,该支架加速了新骨组织的生长速度和成熟。

上颌窦底提升支架材料的临床应用现状

上颌窦底提升是解决上颌后牙区剩余牙槽嵴骨高度不足最常见的手术方法,应用支架材料能够有效维持上颌底提升空间的稳定性。本文从上颌窦底提升的生物学原理出发,简述了理想支架材料应具备的性能,着重对临床现有的上颌窦底提升支架材料的应用现状进行综述,最后对上颌窦底提升的支架材料应用进行了总结与展望。

石墨烯及其衍生物对血管生成和血管化骨的影响机制

背景:石墨烯是最薄、最强韧的一类二维新型晶体材料,在生物医学的应用中显示出巨大的优势。血管生成和血管化骨是组织修复和再生的关键,是解决血管和成骨问题的有效途径。目的:综述石墨烯及其衍生物促进血管生成和血管化骨的特性及机制,为其在血管化组织修复与再生的临床应用提供参考。方法:利用计算机检索PubMed、ScienceDirect、中国知网和万方数据库收录的相关文献,中文检索词为“石墨烯,血管生成,血管化,血管化骨,内皮细胞”,英文检索词为“graphene,Angiogenesis OR Vascularization,Vascularized bone,endothelial cells”。排除与文章主题不相关的文献,根据纳入标准和排除标准,最终纳入62篇文献进行结果分析。结果与结论:①目前氧化石墨烯在石墨烯及其衍生物中的研究较多,应用最为广泛。②石墨烯及其衍生物适用于心脏、骨、神经和创伤愈合等相关疾病。③石墨烯及其衍生物有优异的理化性能和生物学性能,但其存在潜在的细胞毒性,在应用中需注意其生物安全性。④石墨烯及其衍生物的应用还需要进一步的研究来证明其最适尺寸和浓度及降低毒性的措施。⑤就细胞层面而言,石墨烯及其衍生物可以通过促进尖端内皮细胞表型、间充质干细胞黏附和增殖、血管平滑肌细胞的生长,从而促进血管生成活性。⑥就分子层面而言,石墨烯及其衍生物可以增加血管内皮生长因子、碱性成纤维细胞生长因子及肝细胞生长因子等的表达并活化活性氧/一氧化氮合酶/一氧化氮信号通路、溶血磷脂酸R6/Hippo-YAP通路、基质细胞衍生因子1/血管内皮生长因子和ZEB1/Notch1通路。⑦氧化石墨烯和氧化石墨烯-铜可以磷酸化细胞外调节蛋白激酶并激活缺氧诱导因子1,进而促进血管内皮生长因子和骨形态生成蛋白2的表达上调,从而促进血管生成和血管化骨。⑧因此,石墨烯及其衍生物特别是氧化石墨烯由于具有优良的生物学性能、良好的促血管生成及促血管化骨能力,在血管化组织修复与再生方面有很大的应用前景。

黑磷在骨组织工程中的应用研究进展

由于骨微环境结构及功能的复杂性,骨缺损后难以自行修复与再生。组织工程支架可在结构及功能上模仿骨组织,重塑骨再生的微环境,为组织的修复与再生提供条件。其中,以生物材料组成的支架是骨组织工程(BTE)的关键因素之一。在诸多生物材料中,黑磷的生物安全性及良好的可降解特性使其成为BTE领域的研究热点。近年来,黑磷在生物医药应用方面的研究持续开展,体现了黑磷在未来的应用前景,因此对黑磷理化性质及其在骨再生领域应用现状的深入研究将有助于黑磷在BTE中的应用。

Experimental study on advanced bone regeneration by BMP-7 derived-peptide chitosan nanometer hydroxyapatite collagen biomimetic composite

Objective:To investigate the effect of BMP-7 derived-peptide chitosan nanometer hydroxyapatite biomimetic collagen composite on repairing rat critical-sized cranial defects.Methods:The chitosan nanometer hydroxyapatite collagen composite was prepared and the microcosmic appearance of the composite was observed by scanning electron microscope.The BMP-7 derived-peptide was introduced into the composite by vacuum adsorption.The released peptide content from the scaffold was detected using high performance liquid chromatography at different set times.Critical-sized cranial defects were created on both sides of the parietal bone in 24 adult Sprague-Dawley rats.The BMP-7 derived-peptide chitosan nanometer hydroxyapatite biomimetic collagen composites were implanted on the right side as experimental group and the left side was implanted with chitosan nanometer hydroxyapatite biomimetic collagen composites alone as control group.The rats of both groups were killed in batch respectively after 6 and 12 weeks.Macroscopic observation,three-dimensional reconstruction of computed tomography(CT)and histological observation were performed on these samples.Results:The results of scanning electron microscope showed that the surface of the scaffold was porous.The releasing character of BMP-7 derived-peptide belonged to slow release.The result of animal experiment showed that the BMP-7 derived-peptide chitosan nanometer hydroxyapatite biomimetic collagen composite could more effectively promote the repair of cranial bone defects comparing with the chitosan nanometer hydroxyapatite biomimetic collagen composite alone.The difference was statistically significant(p<.05).Conclusions:The BMP-7 derived-peptide chitosan nanometer hydroxyapatite collagen biomimetic composite can effectively promote bone regeneration of bone defects.The composite is a kind of ideal scaffold material for bone tissue engineering.

生物活性支架材料修复骨质疏松性骨缺损

背景:随着化学合成技术的发展,根据生物活性支架材料的特性,经材料设计和材料结合而制备多组分、多功能的复合材料支架,进而修复骨质疏松性骨缺损已成为当今的研究热点。目的:介绍生物活性骨组织工程支架材料,讨论并总结不同支架材料及其设计在修复骨质疏松性骨缺损中的应用。方法:作者以“Osteoporosis,Bone defect,Scaffold,骨质疏松,骨缺损,支架”为关键词,检索2008-2022年期间PubMed、Web of Science、Springerlink、Medline、万方、CNKI数据库,选择生物活性支架修复骨质疏松性骨缺损方面的的相关文献。结果与结论:生物活性支架的植入为修复骨质疏松性骨缺损带来了新的方法,如金属材料、生物陶瓷、聚合物等生物活性支架均有良好的促进骨再生作用。但是在骨质疏松的不平衡骨改建下,单一材料支架促进骨再生能力有限,且经常出现骨整合不良。研究者们根据理想支架的特性和各种材料的优缺点,通过材料结合和设计将生物活性物质纳入支架中,设计制备了一系列功能化的生物活性复合材料支架,以改善骨改建和增强骨整合。随着对各类型生物活性支架材料的深入了解,明确其优劣势及局限性,立足支架设计思想,从单一成分到多组分的结合,通过表面修饰、3D打印等各种手段,一定会逐步实现生物活性支架在骨质疏松性骨缺损治疗中更加多功能化、高效率的应用。

压电材料修复骨缺损的应用及设计思路

背景:骨具有压电效应,可将其所受应力转化为骨表面的电信号,通过电信号调节骨的代谢与生长。具有生物电活性的压电材料作为骨植入物能在受力时表面生成电荷,恢复损伤骨组织表面电势从而达到促进骨愈合的目的。目的:文章从压电的角度介绍了骨的压电效应,说明压电材料促进骨缺损修复的可行性以及压电材料应用于骨组织工程的研究进展,并阐述压电材料促进成骨的机制,以期为骨缺损修复提供新的思路。方法:以“Piezoelectric effect,Piezoelectric materials,Piezoelectric ceramic,Piezoelectric polymers,Osteogenesis,Bone tissue engineering,Scaffolds,Bone defect,energy harvester”为英文检索词,以“压电效应、压电材料、压电陶瓷、压电聚合物、成骨、骨组织工程、细胞支架、骨缺损、能量采集器”为中文检索词,在PubMed,Web of Science,ScienceDirect,中国知网和万方数据库中检索筛选出88篇文献进行归纳总结。结果与结论:①压电材料具有因受力形变而产电的自发电特性,能模拟骨组织的细胞外基质的生物电微环境,可制备成生物支架,在不依赖于生长因子和药物的情况下给予骨组织电刺激,增强骨修复功能,在骨缺损的治疗中具有应用前景。②压电材料通过刺激细胞电压门控钙通道、α5β1整合素、促进局部血流增加等途径促进成骨。③目前尚未发现任何单一压电材料可满足组织工程的压电材料的特征,因此压电陶瓷与压电聚合物相结合,压电材料与生物活性材料相结合的压电复合材料应运而生,其中压电陶瓷-有机物复合材料,保留了压电陶瓷的压电性能优异和生物相容性良好优点的同时更易于加工,其生物相容性和促进骨细胞贴附、矿化等功能更强,是当前治疗骨缺损效果最好的压电材料;④虽然压电材料能模拟骨组织的生物电微环境来促进成骨,但由于对压电材料影响骨细胞的机制尚未明确,以及不同骨组织微环境各不相同,因此限制了压电材料在临床的应用,随着材料研发技术的进步和对压电材料作用于细胞的研究愈发深入,压电材料有望为骨缺损的修复提供新的思路。