天然骨骼是一种精细复杂的复合材料，主要由胶原蛋白和羟基磷灰石 (HA)组成，它们形成了从纳米尺度到宏观尺度的高度有序的分层结构。由于其双相、各向异性、超细结构设计，天然骨组织具有优异的机械性能。然而，在骨科领域，人造骨移植材料的性能目前很难满足临床需求，这使得由严重外伤、肿瘤切除、感染等疾病导致的大块骨缺损问题在世界范围内提出了严峻的挑战。因此，开发可有效替代患者自身骨移植物的生物材料具有非常重要的意义。
荷兰马斯特里赫特大学Pamela Habibovic教授等人受天然骨骼的启发，开发了一种由掺杂Sr/Cu的一维HA/聚 (dl-丙交酯) (PDLA)组成的仿生复合材料，其不仅具有与天然骨骼相媲美的机械性能，也可作为研究骨细胞-基质相互作用的3D平台。该Sr/Cu掺杂的一维HA晶体促进了聚合物基体机械性能的全面增强。同时，Sr和Cu离子的持续释放促进了体液中的矿物质沉积，并支持人类间充质基质细胞 (hMSC) 的附着、增殖和碱性磷酸酶活性。此外，3D多孔支架中高度排列的HA晶体诱导了hMSCs的排列和各向异性胶原纤维基质的分泌。该应用方法和设计原则为开发用于骨移植的先进复合材料提供新的灵感。该研究以题为“Biomimetic Mechanically Strong One-Dimensional Hydroxyapatite/ Poly(d,l-lactide) Composite Inducing Formation of Anisotropic Collagen Matrix”的论文发表在《ACS nano》上。
【复合材料的仿生设计】
作者首先通过水热法制备得到一维Sr-HA和一维Cu-HA，其次将由Sr-HA和Cu-HA组成的Sr/Cu掺杂HA与PDLA混合形成均匀的混合物，最后通过喷嘴挤压成型。由于悬浮液流中的剪切应力，Sr/Cu掺杂HA的取向逐渐从随机变为高度对齐（图 1），其结构类似于天然骨骼中的HA纳米晶体。因此，Sr/Cu掺杂的一维HA晶体的存在和排列导致了聚合物基体的机械性增强，包括压缩强度、拉伸强度、杨氏模量、断裂韧性、抗溶胀性和长期结构稳定性等，其机械性能能与天然骨骼相媲美。这种性能增强可归因于其骨状微观结构和HA与PDLA基质间的强界面相互作用（图2），实现了该复合材料具备类似于天然骨骼的增韧机制。
图1仿生复合材料的制造过程
图2 仿生复合材料的微观结构
【体外矿化、离子释放和生物活性】
生物材料促进（骨）矿物质在其表面沉积的能力被认为是重要的生物活性特征。作者将该复合材料浸入模拟体液中并研究其表面矿物形成的过程，结果在孵 7天后，在Sr/Cu掺杂的HA/PDLA多孔支架上观察到许多矿化点。此外，该多孔支架在最初的4天内表现出相对快速的Ca、P、Sr和Cu离子释放。根据浓度，Cu离子已被证明可增强血管生成，而不影响代谢活性。作者还测试了该材料促进hMSC的碱性磷酸酶活性的能力，这是成骨分化的重要标志。在其上更高的酶活性可归因于HA的纳米级尺寸使得HA对hMSCs的表面暴露更显著，从而对hMSCs的碱性磷酸酶活性产生积极影响。作者使用荧光显微镜观察了多孔支架上hMSCs的形态（图3），发现纳米HA/PDLA上存在的细胞比纯PDLA支架上的细胞多，这表明纳米HA的存在增强了细胞的附着，表现出良好的生物活性。
图3荧光显微镜图像
【多孔支架上的胶原基质沉积】
作者通过肌动蛋白细胞和荧光染色研究了在多孔支架上hMSCs和I型胶原蛋白的形态。结果发现，肌动蛋白和I型胶原都沿Sr/Cu掺杂的HA晶体的方向排列，这表明不仅细胞的形态和取向，就连细胞产生的细胞外基质的形态和取向也受支架结构特性的影响。换句话说，高度排列的HA晶体能诱导hMSC的排列和各向异性胶原纤维基质的形成。这表明该多孔支架不仅模仿了天然骨骼的微观结构和机械性能，而且模仿了骨基质在调节细胞行为方面的功能。因此，该仿生复合材料可以作为一个3D平台，用于研究骨基质如何调节细胞的方向以及这些细胞在骨组织中分泌的细胞外基质的特性。
图4 多孔支架的荧光显微图像
总结：作者受天然骨骼的启发，开发了一种由PDLA作为有机基质、Sr/Cu掺杂的HA作为无机增强相的仿生双相复合材料。HA晶体的存在和排列导致聚合物基质的机械性增强，可与天然骨骼相媲美。同时，该复合物促进了矿物质沉积，并支持hMSC的附着、增殖和碱性磷酸酶活性。此外，高度排列的HA晶体能诱导hMSC的排列和各向异性胶原纤维基质的形成。该方法和设计策略为开发具有增强机械性能和生物活性的骨移植高级复合材料提供了新的灵感。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c03905
来源：高分子科学前沿
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