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北京工业大学杜田明博士研究团队:先进骨修复材料的潜力 | MDPI JFB 精选

已有 3932 次阅读 2022-7-20 10:39 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

作者简介

第一作者

杜田明 博士

北京工业大学生物医学工程系

杜田明博士为北京生物医学工程学会生物力学学会、中国力学学会会员。关注骨质疏松、骨缺损修复等医疗健康领域的问题,主要从事生物材料、生物力学、植/介入医疗器材等方面的研究。

通讯作者

乔爱科 教授

北京工业大学生物医学工程系

乔爱科教授为中国生物医学工程学会生物力学分会、中国生物材料学会材料生物力学分会、中国生物物理学会生物力学和生物流变学分会、北京生物医学工程学会生物力学专业委员会委员;《北京生物医学工程》副主编。主要从事生物医学工程、生物力学、植/介入医疗器材等方面的教学和科研工作。

通讯作者

牛旭锋 教授

北京航空航天大学生物与医学工程学院

牛旭锋教授为国际华人骨研学会终身会员;中国复合材料学会生物医用复合材料分会、中国生物材料学会材料生物力学分会、中国医药教育协会医用生物材料与技术专业委员会委员。主要从事生物材料和生物力学领域的研究。


文章导读

在骨修复领域,针对粉碎性骨折、感染、骨肿瘤等导致的大面积骨缺损,对骨修复材料有着巨大的需求。随着经济社会的发展,每年需要进行骨损伤修复的患者逐年增加,对骨修复材料的需求也在不断增加。


目前,在骨修复领域,自体骨移植是“金标准”,但仍存在供体数量、对病人造成二次伤害等问题。而异体骨移植存在免疫排斥反应、诱发传染性疾病等问题。因此,发展人工仿生骨修复材料是目前骨损伤治疗中最为有效、可行的解决途径之一。


本文研究了在体外利用不同手段制备的具有不同矿化结构形貌的人工仿生骨修复材料的基本性能。体外仿生矿化材料均具备良好的孔隙结构,而在流体剪切力作用下制备的矿化材料,不仅具有良好的孔隙结构和取向排列结构,同时也具有良好的结晶特性、热力学特性和酶解特性。该材料可高效地诱导干细胞的生长和分化,在骨缺损修复材料领域有巨大潜力。


研究内容

先进骨修复材料的潜力

本文使用的原材料胶原 (Collagen type Ⅰ) 提取自鼠尾中,其与天然骨基质内部的有机质胶原类型一样,具有非常高的生物相容性,是仿生矿化过程中的模板。磷灰石是骨基质中主要的无机物。羟基磷灰石是磷灰石的一种,是仿生矿化中常用的无机质。羟基磷灰石沿着胶原纤维成核、生长、结晶,在物理、化学以及各种非胶原性蛋白的调控下,可以形成具有不同形貌结构的矿化胶原。本研究讨论了聚丙烯酸化合物、聚磷酸盐、流体剪切力等多种物理化学因素协同作用下制备的分别以纤维外矿化、纤维内矿化、纤维内分层矿化为主的胶原支架的物理化学特性。


先进骨修复材料具备的基本特性

骨具有复杂的多尺度多级结构。矿化胶原是组成骨多级结构的基本单元。研究表明,相较于纤维外矿化胶原,纤维内矿化胶原更接近天然骨内的矿化结构。通过聚丙烯酸作为阻滞类似物可限制无定形磷酸钙 (羟基磷灰石的前驱体) 的生长,使无定形磷酸钙稳定在纳米尺度。纳米无定形磷酸钙通过胶原纤维周期性结构的间隙区域进入纤维内部,在纤维内部经过晶体转化,形成纤维内矿化。相较于纤维外矿化中磷灰石附着、沉积在胶原纤维表面的情况,纤维内矿化由于磷灰石进入了纤维内部,再考虑到胶原酶对胶原的特异性酶解,因此显示了较高的酶解性能。


同时,将三聚磷酸盐作为模板类似物,可以在胶原纤维内形成离子键,限制纤维内矿物质的生长,使其形成纤维内分层矿化。流体剪切力作为天然骨内受到的主要力学刺激形式,能够通过胶原和磷灰石的力学响应性,控制无定形磷酸钙的尺寸以及胶原纤维的排列,在三聚磷酸盐的协同作用下,形成纤维高度排列的纤维内分层矿化。(如图 1 所示) 由于力学作用能够促进晶体转化,同时,对胶原的结构完整性影响较小,使得高度排列的纤维内分层矿化胶原显示了良好的结晶性、亲水性、酶解性以及热力学特性。

图14.jpg

图 1. 周期性流体剪切力诱导的高度取向排列的纤维内分层矿化。


总结

本研究将流体剪切力和三聚磷酸盐结合,制备的高度排列的纤维内分层矿化胶原支架是一种具有发展前景的替代方案,展示了其用作骨缺损修复材料的巨大优势与潜力。通过对修复部位和不同矿化胶原材料三维空间结构的分析以及材料加工方面的探索,也表明生产具有定制性能和可加工性骨替代材料的可能性。


原文出自 JFB 期刊

Du, T.; Niu, Y.; Liu, Y.; Yang, H.; Qiao, A.; Niu, X. Physical and Chemical Characterization of Biomineralized Collagen with Different Microstructures. J. Funct. Biomater. 2022, 13, 57.


相关特刊

Biomechanical Study and Analysis for Cardiovascular/Skeletal Materials and Devices

Edited by Aike Qiao, Haisheng Yang and Yongliang Mu

Submission Deadline: 20 August 2022

浏览器打开以下链接,了解特刊详情:

https://www.mdpi.com/journal/jfb/special_issues/biomechanical_mat


JFB 期刊介绍

主编:Francesco Puoci, Università della Calabria, Italy

主要发表生物材料相关的高水平学术文章,重点关注生物材料在医学中的应用。期刊涵盖化学、医学、药理学、工程学和生物学等研究领域。目前设有 9 个专题,分别关注生物材料在牙科、骨科、组织工程、再生药物、药物输送和释放、癌症治疗、健康检测等方面的应用。

2021 CiteScore:7.3

Time to First Decision:14 Days

Time to Publication:43 Days

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1 刘钢

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