中科院化学所《先进材料》:生物活性骨粘合剂,助力骨愈合
录入日期:2020-2-4
内容

  用骨粘合剂取代传统的侵入性材料(如钢板、螺钉和针)可能会给骨科手术带来革命性的进步。然而,骨黏合剂的有效性取决于迁移的细胞活力的高低。骨粘合剂(化学完整性和不可降解性)形成的致密层严重影响了细胞的增殖和组织的重构。   
  为了解决这一难题,中科院化学所邱东、乔燕和北京大学第三医院周方合作基于前期植酸来源的生物玻璃(PSC)的研究成果,开发了一类具有生物活性的成孔骨粘合剂,可促进骨源性间充质干细胞向粘合剂内部迁移,并向骨细胞分化。该粘合剂具有与细胞迁移和组织生长相适应的结构。


  生物活性成孔粘合剂的设计
  根据前期的成果,植物酸衍生的PSC(10.8%P2O5 –54.2%SiO2 –35.0%CaO, mol%)生物玻璃在生理条件下表现出快速的羟基磷灰石(HA)形成能力和优异的生物活性。研究者选用化学惰性强,水溶性高的聚乙二醇(PEG)作为包裹PSC的致孔剂和氰基丙烯酸酯(CA)作为胶黏剂。PEG溶解后,支架内部形成了孔隙。细胞迁移至支架内部后,在生物活性材料的刺激下,开始增殖与分化。

 


  图1所示:生物活性成孔粘合剂的合成示意图。
  骨粘合剂大孔结构及细胞活性的表征
  通过扫描骨粘合剂支架可以发现,掺杂的PEG(绿色)颗粒和PSC(红色)颗粒均匀分散在支架之中(Fig.2a,b)。在将支架放入模拟的体液后,PEG溶解,支架呈现出120±20µm大小的连通孔隙(Fig.2c)。同时,支架表面形成了针状HA晶体涂层(Fig.2d,e,f)。研究者进一步测试了骨源性间质细胞(BMSCs)在骨粘合剂中的生存能力和迁移行为,发现BMSCs一天和三天的存活率分别为95%±5%和135%±7%,说明其具有良好的细胞相容性(Fig.2g)。

 


  图2所示:材料表征及细胞活性表征。
  生物活性成孔粘合剂在体内促进骨折愈合
  研究者还进行了体内实验,以展示骨粘合剂治愈骨折的能力。研究者以大鼠颅骨为实验模型,分别利用商业粘合剂(OCA)、成孔粘合剂PEG5/OCA5、实验组(或不注射粘合剂),将直径为3mm的圆形骨片固定于刚形成的小鼠颅骨骨折内(Fig.4a,b)。4周和12周的micro-CT结果显示,无粘和剂组在4周后出现圆形骨块脱位,12周后出现更大的骨缺损。然而,在植入粘和剂的组中未观察到类似的骨块脱位情况,但单纯OCA组由于缺乏营养供应,圆形骨片未完全愈合。与之相比,PEG5/OCA5和实验组的周围骨组织和圆形骨块完全融合,其结果归功于联通的孔隙的结构。另外,实验组在12周时,周围骨与圆形骨块之间的间隙消失,这反映了PSC生物玻璃的生物活性导致大量新骨形成(Fig.4e)。组织学实验结果与micro-CT结果吻合。

 


  图4所示。生物活性成孔粘合剂的动物实验。
  小结
  最后,研究者得出结论,开发的骨粘合剂能够在体外形成具有生物活性的微米级孔隙,促进细胞的生长、增殖和分化,并取得了良好的体内实验结果。该研究成果以题为“Bioactive Pore-Forming Bone Adhesives Facilitating CellIngrowth for Fracture Healing”的论文发表在《Advanced Materials》上(见文后原文链接)。文章第一作者为Xu Liju 。
  全文链接:https://doi.org/10.1002/adma.201907491
  来源:高分子科学前沿


   

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