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《先進材料》:生物活性骨粘合劑,助力骨愈合
發布:lee_9124   時間:2020/2/4 18:45:04   閱讀:234 
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用骨粘合劑取代傳統的侵入性材料(如鋼板、螺釘和針)可能會給骨科手術帶來革命性的進步。然而,骨黏合劑的有效性取決于遷移的細胞活力的高低。骨粘合劑(化學完整性和不可降解性)形成的致密層嚴重影響了細胞的增殖和組織的重構。

為了解決這一難題,中科院化學所邱東、喬燕和北京大學第三醫院周方合作基于前期植酸來源的生物玻璃(PSC)的研究成果,開發了一類具有生物活性的成孔骨粘合劑,可促進骨源性間充質干細胞向粘合劑內部遷移,并向骨細胞分化。該粘合劑具有與細胞遷移和組織生長相適應的結構。
 
 

生物活性成孔粘合劑的設計

根據前期的成果,植物酸衍生的PSC(10.8%P2O5 –54.2%SiO2 –35.0%CaO, mol%)生物玻璃在生理條件下表現出快速的羥基磷灰石(HA)形成能力和優異的生物活性。研究者選用化學惰性強,水溶性高的聚乙二醇(PEG)作為包裹PSC的致孔劑和氰基丙烯酸酯(CA)作為膠黏劑。PEG溶解后,支架內部形成了孔隙。細胞遷移至支架內部后,在生物活性材料的刺激下,開始增殖與分化。
 
 

圖1所示:生物活性成孔粘合劑的合成示意圖。

骨粘合劑大孔結構及細胞活性的表征

通過掃描骨粘合劑支架可以發現,摻雜的PEG(綠色)顆粒和PSC(紅色)顆粒均勻分散在支架之中(Fig.2a,b)。在將支架放入模擬的體液后,PEG溶解,支架呈現出120±20µm大小的連通孔隙(Fig.2c)。同時,支架表面形成了針狀HA晶體涂層(Fig.2d,e,f)。研究者進一步測試了骨源性間質細胞(BMSCs)在骨粘合劑中的生存能力和遷移行為,發現BMSCs一天和三天的存活率分別為95%±5%和135%±7%,說明其具有良好的細胞相容性(Fig.2g)。
 

 
圖2所示:材料表征及細胞活性表征。

生物活性成孔粘合劑在體內促進骨折愈合

研究者還進行了體內實驗,以展示骨粘合劑治愈骨折的能力。研究者以大鼠顱骨為實驗模型,分別利用商業粘合劑(OCA)、成孔粘合劑PEG5/OCA5、實驗組(或不注射粘合劑),將直徑為3mm的圓形骨片固定于剛形成的小鼠顱骨骨折內(Fig.4a,b)。4周和12周的micro-CT結果顯示,無粘和劑組在4周后出現圓形骨塊脫位,12周后出現更大的骨缺損。然而,在植入粘和劑的組中未觀察到類似的骨塊脫位情況,但單純OCA組由于缺乏營養供應,圓形骨片未完全愈合。與之相比,PEG5/OCA5和實驗組的周圍骨組織和圓形骨塊完全融合,其結果歸功于聯通的孔隙的結構。另外,實驗組在12周時,周圍骨與圓形骨塊之間的間隙消失,這反映了PSC生物玻璃的生物活性導致大量新骨形成(Fig.4e)。組織學實驗結果與micro-CT結果吻合。
 

 
圖4所示。生物活性成孔粘合劑的動物實驗。

小結

最后,研究者得出結論,開發的骨粘合劑能夠在體外形成具有生物活性的微米級孔隙,促進細胞的生長、增殖和分化,并取得了良好的體內實驗結果。該研究成果以題為“Bioactive Pore-Forming Bone Adhesives Facilitating CellIngrowth for Fracture Healing”的論文發表在《Advanced Materials》上(見文后原文鏈接)。文章第一作者為Xu Liju 。

 
來源: 高分子科學前沿
 
 
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