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    省科學院健康醫學研究所研制出具有骨再生能力、生物可降解碳酸鈣/六方介孔硅/聚乳酸-乙醇酸共聚物微球支架

    發布時間:2021-04-02

    廣東省科學院健康醫學研究所許為康博士研究團隊制備出具有3D網狀結構,孔隙率為30-40%CC/HMS/PLGA微球支架,研究發現CC/HMS/PLGA燒結球支架能有效補償PLGA酸性副產物引起的pH降低,HMS/PLGA支架相比, MSCs的增殖有促進作用, ALP活性明顯增強,鈣分泌也明顯增加。2021129日,相關研究成果以Biodegradable calcium carbonate/mesoporous silica/poly(lactic-glycolic acid) microspheres scaffolds with osteogenesis ability for bone regeneration為題,在線發表在RSC Advances》雜志上,第一作者為省健康醫學所智能植介入材料專題組組長許為康高級工程師。

    由于創傷、感染、腫瘤等原因,每年有數百萬患者遭受骨缺損的折磨,其中大部分難以修復,這對臨床骨科提出了挑戰。目前主要的解決方案是使用自體骨或異體骨進行移植。然而,這些骨植入物的成功應用受到局部血腫、血管痙攣的限制。為了成功地修復骨缺損,組織工程學需開發基于支架、細胞和生長因子的新型骨移植材料。支架在骨修復和再生中起著重要作用。微球因其優異的控制釋放能力而被長期用藥物輸送載體,而且它的形狀是剛性的,可以單獨或組合形成三維(3D)多孔結構,以其特殊的機械結構誘導培養細胞的生長。微球支架與傳統塊狀支架相比具有許多優點,包括藥物釋放的時空可控性和增強的結構或力學性能。然而,通常自上而下法制得的含微球支架,微球只是其中一部分。這對細胞支架中的滲透和活性保持、臨床管理和藥物輸送提出了挑戰。為了克服自上而下法的缺點,一種基于微球自下而上法已越來越流行。通過該法制得的微球支架提供多孔結構和高分辨率的空間組織控制,顯示出巨大骨再生潛力。微球支架主要由可生物降解的生物材料制備,分為注射型支架和燒結型支架。許多研究已證實燒結微球支架的生物相容性和組織再生潛力。人工合成聚合物聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA是骨再生支架制備中應用最廣泛的一種可生物降解的聚合物,具有良好的加工性能,可制備彈性結構。然而,PLGA降解產生的酸性單體易引起組織炎癥反應,這是PLGA基骨再生支架開發面臨的核心問題。

    PLGA與無機生物材料雜交以提高機械強度。硅是一種普遍存在的環境元素,在結締組織尤其是骨的代謝中起著重要作用。六方介孔硅(HMS)是一種典型的硅基材料,具有良好的物理性能。在先前研究中,我們選擇了HMSPLGA雜化,有效地提高了PLGA支架的抗壓強度。碳酸鈣(CC)是天然貝殼的重要組成部分,具有良好的生物相容性和可降解性,可延緩PLGA膜的降解,保持良好的pH值。在體內,它與新骨形成緊密的界面。研究表明,由CC組成的珊瑚具有與HA相似的成骨特性。盡管HA是一種被廣泛研究的無機骨修復材料,但合成HA的降解速度太慢,材料基質的降解速度可能與組織生長速度不匹配。與HA相比,CC具有更好的生物降解性。然而,HMS/CC/PLGA燒結微球支架在骨組織工程中的應用尚未見報道。

    基于此,許為康博士研究團隊制備出具有3D網狀結構,孔隙率為30-40%CC/HMS/PLGA微球支架。結果表明,CC/HMS/PLGA支架能有效補償PLGA酸性副產物引起的pH降低。復合CC可以誘導環境中黏附蛋白的增加,有利于細胞黏附于支架上。采用CCK-8比色法、堿性磷酸酶(ALP)活性、ALP染色、茜素紅染色等方法檢測骨髓間充質干細胞(MSCs)的增殖和成骨分化情況。結果表明,與HMS/PLGA支架相比, CC/HMS/PLGA支架對MSCs的增殖有促進作用, ALP活性明顯增強,鈣分泌也明顯增加。CC/HMS/PLGA燒結微球支架為骨修復和再生提供了一種具有更好性能的有吸引力的策略,將為設計性能更好的骨組織再生支架奠定基礎。

    圖一 具有骨再生能力、生物可降解CC/HMS/PLGA微球支架研究流程圖

    主要結果:(1)對于CC/HMS/PLGA組,CC中和了酸的降解,因此整個實驗過程中pH保持在6以上,且其質量損失幅度遠低于HMS/PLGA組(圖二);2)在培養過程中,CC/HMS/PLGA組的ALP活力明顯高于HMS/PLGA(P<0.05),鈣沉積水平高于HMS/PLGA(圖三)。

    圖二 微球支架降解過程中的質量損失(A)PBS溶液pH的變化

    圖三 MSCs分別在HMS/PLGA(A1A2)CC/HMS/PLGA(B1B2)微球支架上培養10天后ALP染色,14天后茜素紅染色。

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