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导言
开发忠实地复制自然骨结构的复杂层次结构的合成材料是生物材料科学中最雄心勃勃的前沿之一。 骨骼不仅仅是一种静态矿床,而是一种动态的、活性复合材料,它将有机碳纤维、无机氢亚帕特晶体和细胞成分融合到多个长度尺度。 这一结构的成功模仿可以改变医学植入物、组织工程脚手架和再生疗法,通过增强机械性能、提高生物兼容性以及积极的生物结合,使这一目标更加接近现实。
自然骨架的等级结构
自然骨显示出从宏观到纳米的细微结构结构。 在宏观层面,骨分为密集的皮质骨和多孔的去除骨,每个骨都有不同的机械作用。 皮质骨提供了结构刚性,而去除骨骼则通过它的曲面网络吸收影响和支持代谢功能。
在微观层面,由同心的跛脚动物组成的骨骼-圆柱体形成皮质骨的构件。每个跛脚动物都含有与氢亚帕特晶体相交的配合的锥形纤维。在纳米尺度上,锥形分子自组成具有典型的67纳米周期带状纤维。 这些纤维是氢亚帕特晶体的核和定向模板,这些晶体是板状的,只有几纳米厚。 这种有机无机复合体产生非常坚硬、坚硬和轻质的特性,合成材料难以匹配。
研究人员已经广泛描述了这种多尺度结构,使用了XQray Diffraction,扫描电子显微镜,原子力显微镜等技术。 理解这些等级关系对于设计合成模拟物,复制骨骼的结构和机械行为都是至关重要的。 自然材料[中的一项全面审查描述了骨骼的等级设计原理如何激励新的材料。
合成骨架模拟中的关键挑战
尽管进行了几十年的研究,骨骼的分层复杂性仍然极其困难。 一个主要障碍是多个长度尺度的部件精确地对齐和空间组织。 合成脚手架可以模仿宏观-和微小-杂质,控制纳米尺度结构 — — 如圆柱纤维的定向和矿物晶体的内在生长 — — 需要先进的制造方法。
另一个挑战是原生骨的动态性。 活骨在机械负荷和生化信号下不断被骨质素和骨质素改造。 合成材料不仅必须具有生物兼容性,而且还必须鼓励细胞渗透、血管化和逐渐改造。 许多目前的植入因应力屏蔽、骨质融合不良或炎症反应而失效。
此外,强度和生物活性之间的权衡使材料设计复杂化。 高密度合成氢亚帕土陶瓷具有极强的压缩强度,但又很脆,难以再生。 相反,聚合物合成物可能过于灵活或降解速度太快。 实现机械特性、降解率和生物提示的最佳平衡需要认真的构象和微观结构工程。
创新材料设计战略.
生物体积 脚手架制造
添加制造技术使骨骼的制造发生了革命性的变化。 3D打印可以精确控制孔径大小、孔隙度和互联性,模仿了断裂骨的轨迹结构。 比如,选择性激光烧结和引信沉降模型可以产生具有定制机械特性的病人专用植入物。
电压平板是产生类似碳化物网络的纳米纤维脚手架的另一种有力方法。通过操纵溶液浓度、电压和集聚物几何,研究人员可以产生引导细胞定向和基质沉积的对齐纤维。将3D ⁇ 印刷的宏观结构与电子喷发纳米纤维层结合起来,产生支持负载的分级脚架和细胞渗透的分级脚架。在 Acta Biomateria 中发表的一项研究表明,这种分级脚架大大加强了动物模型中的骨质再生。
自我大会和分子工程
自然界利用自我组装来从单个的特罗波烯拉根分子中构建骨骼的烯烃模板。 合成化学家已经开发出类似地可以自我组织成纳米纤维、水凝胶或液晶相的肽类和其他有机分子。 这些系统可以设计成特定的生物化学信号,如RGD序列或促进骨质发育的生长因子。
一种很有希望的方法是使用DNA折纸或块式共聚小鼠来模板氢亚帕特晶体在受控方向的沉积。 通过将钙绑定的肽在脚手架上,研究人员实现了结晶对齐的矿物化纤维,这些自组装结构也可以与无机纳米粒子交叉或结合,以提高机械完整性。
复合材料和增程材料
骨骼的非线性机械行为源于其复合性质和不同结构区域之间的平稳过渡。 结合聚合物基质的合成复合物 — — 如多卡普罗内酮或多(乳糖酸) — — 与氢亚帕特或磷酸三钙等陶瓷填充物可以接近原生骨的有机-无机比。 先进的制造现在允许将矿物质含量从内向外逐渐增加的分级复合物,模仿从去除骨到皮质骨的过渡。
渐变材料还解决了植入骨界面压力浓度的问题。当植入骨的模数与周围骨的模数匹配时,负载转移会更加生理化,减少压力屏蔽。功能分级的具有孔径梯度的脚手架已被证明能改善骨质生长和机械稳定性。在Bio材料[ 中,一篇论文描述了具有连续梯度的多层复合材料,既能显示高强度,又能显示出色的生物活性。
生物启发型分层织物
模仿骨骼纳米地形的表面涂层可以加强骨骼融合,而不会改变散装机械特性。 诸如厌碘、热液处理和层层层层组装等技术会产生高表面积的纳米结构表面,并增强湿度。 例如,用分级微尺度/非尺度表面处理的钛植入物显示出在体内的骨骼接触得到改善。
另一种策略是采用生物密矿化,植入物涂上一层与骨矿相似的帕片。 模拟体液通常用于像帕片一样沉积骨骼,但过程可能缓慢。 最近的研究通过结合多电解多层或电荷聚合物来加速矿化,这些聚合物可吸引钙和磷酸离子。 这些涂层也可以作为致骨药物或生长因子的载体。
生殖医学应用
分级骨骼材料的最终目标是取代或再生受损骨骼。 在骨骼中,为臀部、膝盖和脊椎安装的负载植入物需要快速融合和承受循环装载的材料。 具有受控孔隙的分级脚手架可以快速血管化和骨骼生长,减少恢复时间。
在颅骨手术中,患者的特异性脚手架通过CT扫描设计,以填补复杂的骨质缺陷. 逐渐降解并由本土组织取代的复合材料消除了植入切除的需要. 对于非阴性骨折,含有自组装肽和陶瓷纳米粒子的注射液凝胶可以填补不规则腔并促进愈合.
除了结构修复外,骨质材料还被探索成为药物输送和癌症治疗的平台。 分级孔隙可以装上抗生素、抗炎药物或化疗,随着脚手架的退化,以可控的方式释放这些药物。 这种机械支持和治疗性提供相结合的结合说明了生物启发设计多功能性。
未来方向和新兴技术
先进的制造继续推动等级仿真工作的界限。四维印刷法——印刷结构随时间而改变形状或性质,以适应刺激因素——提供适应治愈环境的动态脚手架的潜力。微传感器和无线电子的结合可以实时监测植入性能和骨质再生。
机器学习和计算设计正在加速优化等级材料结构。 通过模拟机械和生物反应,研究人员可以预测孔径、纤维对齐和矿物质含量的组合将产生最佳效果,从而减少试验---------实验的需要。
另一个新兴方向是使用活材料 — — 包含细胞或细胞衍生因素的手脚。 比如,前植入与中枢干细胞或与内皮细胞共生的脚手脚可以加速血管化和骨骼形成。 生物印记的进步现在允许在精确的3D模式中同时沉积多种细胞类型和生长因素,从而形成组织式构造,不仅模仿骨骼结构,而且模仿其生物复杂性。
科学中前瞻性的视角强调合成化学与细胞生物学相结合将如何导致像自然骨骼那样动态地改造的材料
结论
复制合成材料中自然骨的分级结构是一项艰巨的挑战,需要跨材料科学、化学、生物学和工程学的跨学科协作。 利用生物仪表制造、自组装、复合和梯度设计以及生物启发涂层,已经取得了显著进展。 这些创新正在导致植入和脚手架,更好地与生物组织结合,并更紧密地模仿原生骨的机械和生物功能。
随着4D打印、机器学习和活材料等技术的成熟,合成骨和自然骨之间的差距将继续缩小。 最终回报 — — 改进后的病人结果、减少修正手术以及重新产生复杂骨质缺陷的能力 — — 使这个领域成为现代生物材料研究中最令人兴奋和最有影响的领域之一。