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东华大学俞建勇院士、丁彬研究员团队:用于骨质疏松性骨修复的智能自展开纳米纤维3D弹性支架

来源:绿色轻工材料湖北省重点实验室  发布时间:2019-12-01 09:19:58

   近日,东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬研究员带领的纳米纤维研究团队在弹性无机纳米纤维骨组织工程支架研究领域取得重要进展,相关成果以《用于骨质疏松性骨修复的智能自展开纳米纤维3D弹性支架》(Smart, Elastic, and Nanofiber-Based 3D Scaffolds with Self-Deploying Capability for Osteoporotic Bone Regeneration)为题,发表于国际著名期刊《Nano Letters》,该论文第一作者为东华大学纺织学院博士生王利环,共同通讯作者为丁彬研究员李晓然研究员和苏州大学张琦副教授

  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。生物活性玻璃能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。

  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,制备的SiO2-CaO玻璃纳米纤维兼具良好的柔韧性和生物活性。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-CaONF/CS)三维支架(图1)。柔性SiO2-CaO纳米纤维骨架和弹性壳聚糖粘结点以及多孔蜂窝结构共同作用促成了SiO2-CaO NF/CS支架的形状可恢复性,使其可通过微创手术移植入不规则形状的缺损,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的增殖和迁移,在体外表现出良好的生物相容性和生物活性。进一步建立骨质疏松模型并进行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。

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

图2. SiO2-CaO NF/CS支架的形貌结构及力学性能

  该工作将兼具柔性和生物活性的SiO2-CaO纳米纤维引入到骨组织工程支架材料的开发设计中,制备得到了具有良好自展开性、生物活性和骨诱导性的骨质疏松骨缺损修复支架,为新型骨修复材料的研究和设计提供了指导和借鉴意义。该研究工作得到了国家自然科学基金和中央高校基础研究基金的大力资助。

  论文全文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b04313

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