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本研究報(bào)道了新型無定形二氧化硅纖維基質(zhì)的合成和表征。通過燒結(jié)無定形二氧化硅纖維熔融以制備多孔基質(zhì)，研究了犧牲聚合物添加劑如聚乙烯醇（PVA）和纖維素纖維（CF）對(duì)燒結(jié)過程的影響。此基質(zhì)可以提供組織工程所需要的孔徑、孔隙率和降解特性。擴(kuò)展本文報(bào)道的改變基質(zhì)性質(zhì)的方法可能導(dǎo)致各種組織工程、植入和藥物遞送應(yīng)用。

01、研究內(nèi)容簡介

引言

生物玻璃是20世紀(jì)被廣泛接受的生物材料之一，基于生物玻璃的產(chǎn)品已獲得臨床批準(zhǔn)，目前已經(jīng)應(yīng)用于牙科、顱面部和頜面部骨缺損修復(fù)應(yīng)用。而無定形二氧化硅是生物玻璃的主要成分，以及網(wǎng)絡(luò)形成或修飾元素。

然而，由于生物玻璃和其他熔融二氧化硅玻璃的體積性質(zhì)，這些生物材料的體內(nèi)降解受到限制，并且缺乏允許細(xì)胞滲透和組織形成的孔隙。這些限制為其在組織工程應(yīng)用中的進(jìn)一步適應(yīng)性和發(fā)展提供了主要障礙。克服這些局限性的幾種方法之一是將這些顆粒形式的生物材料用于缺陷填充應(yīng)用。這允許顆粒之間的空間和間隙用作細(xì)胞滲透的孔隙。然而，由于缺乏強(qiáng)度，此類顆粒系統(tǒng)僅限于非承重應(yīng)用。

溶膠-凝膠材料加工的重大發(fā)展使二氧化硅生物材料可以引入孔徑范圍（10-1000納米）的孔隙。然而，據(jù)報(bào)道，組織工程的最佳孔徑為50–300μm，以允許細(xì)胞滲透和有效的營養(yǎng)運(yùn)輸和廢物去除。之后在溶膠-凝膠衍生的二氧化硅生物材料中引入較大孔隙的其他努力雖然成功，但最終基質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度較弱，可能對(duì)組織工程沒有用處。因此，溶膠-凝膠衍生的二氧化硅生物材料主要用于藥物輸送和生物成像應(yīng)用。

因此，本研究的目標(biāo)是開發(fā)一種硅基生物材料，該材料具有生物玻璃的有益特性，并且具有多孔性、可生物降解性、親水性和纖維性，可以用于組織工程。已知與晶體形式石英相比，無定形的二氧化硅具有生物活性和可降解性。我們通過燒結(jié)無定形的二氧化硅纖維來得到一種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基質(zhì)系統(tǒng)，再通過結(jié)合其他添加劑，包括生物活性玻璃、陶瓷、聚合物等，操作最終基質(zhì)性能，以滿足特定組織工程應(yīng)用的需要。在這篇手稿中，我們報(bào)道了一種有效合成無定形二氧化硅纖維基質(zhì)的方法，并研究了加工溫度和添加劑對(duì)基質(zhì)理化性質(zhì)和體外成骨能力的影響。

1. 硅纖維燒結(jié)工藝

硅纖維燒結(jié)工藝示意圖：將纖維混合并均質(zhì)，然后在模具中壓制和干燥，并在不同溫度（1350℃、1450℃和1550℃）下燒結(jié)(Fig. 1A)，

所得二氧化硅纖維支架的SEM圖像：在較高溫度下燒結(jié)的支架顯示出相鄰二氧化硅纖維更完全的燒結(jié)，而在較低溫度燒結(jié)的支架表明相鄰二氧化硅纖維不完全燒結(jié)，燒結(jié)的接頭突出。（Fig.1B）

2. 無定形二氧化硅纖維基質(zhì)的表征

基質(zhì)的表征包括吸水率、降解性、孔隙率、孔徑、細(xì)胞相容性等

如Fig2.A所示，在1550℃下燒結(jié)的二氧化硅支架在吸水前后整體的結(jié)構(gòu)和體積沒有顯著變化。同時(shí)Fig2.B顯示出，無論燒結(jié)的溫度如何，二氧化硅支架在水中浸泡時(shí)都能吸收約500%的重量，燒結(jié)溫度對(duì)吸水率基本沒有影響。

如Fig.3B所示，燒結(jié)前圖像顯示存在分散在二氧化硅纖維之間的纖維素。加入PVA并隨后干燥漿料導(dǎo)致在漿料干燥時(shí)在二氧化硅纖維之間形成PVA膜。燒結(jié)后圖像顯示，含20%PVA的支架導(dǎo)致二氧化硅纖維更完全燒結(jié)，孔徑更小。

Fig.3C和Fig.3D顯示，添加PVA導(dǎo)致顯著更高的壓縮模量和屈服強(qiáng)度，而添加CF或者燒結(jié)溫度的變化對(duì)二氧化硅支架的壓縮模量和屈服強(qiáng)度沒有顯著影響。

Fig.4顯示燒結(jié)后，纖維素纖維和PVA添加劑都已通過燒結(jié)后的熱分解去除

為了定量分析二氧化硅支架的孔隙率和平均孔徑，對(duì)二氧化硅支架進(jìn)行汞孔隙率測定（AutoPore IV汞孔隙儀，Micromeritics）。使用直徑為10mm、高度為20mm的圓柱形支架進(jìn)行分析。將樣品放入孔隙率計(jì)中，在孔隙率儀中施加真空并施加0.1至2大氣壓的壓力以進(jìn)行汞侵入。然后，使用汞侵入量和與散裝樣品尺寸相關(guān)的汞總量來確定平均孔徑和總孔隙率。

結(jié)果顯示，隨著燒結(jié)溫度的升高，支架的平均孔徑顯著增加，燒結(jié)溫度為1550℃顯示出最高的平均孔徑。與1550℃燒結(jié)的支架相比，向支架中添加CF不會(huì)顯著改變平均孔徑。 然而，在支架制造過程中添加PVA導(dǎo)致支架的平均孔徑顯著減小。（Fig.5A）。然而二氧化硅支架的總孔隙率不會(huì)隨燒結(jié)溫度變化而變化，顯示孔隙率約為90%。添加CF不會(huì)影響支架的孔隙率，而添加PVA會(huì)顯著降低支架的整體孔隙率。（Fig.5B）。Fig.5C展示了二氧化硅支架孔徑的相對(duì)分布，紅色虛線表示各組的平均孔徑。 1350℃燒結(jié)的平均孔徑為67.78μm，1450℃組為75.80μm，1550℃組為89.80μm，1550℃下添加了20%CF組為86.24μm，1550℃下添加了20%PVA組為61.71μm.

如Fig.6將二氧化硅支架置于PBS中，溫度為47℃，并每周更換降解介質(zhì)。降解曲線顯示總質(zhì)量逐漸減少，到第40周（n=3）達(dá)到其原始體積的約70%。此外，據(jù)報(bào)道，水環(huán)境中二氧化硅的降解副產(chǎn)物（主要是Si（OH）4）具有生物相容性，并可誘導(dǎo)產(chǎn)生促進(jìn)周圍細(xì)胞增殖和分化的因子。值得注意的是，該實(shí)驗(yàn)是在升高的溫度47℃下進(jìn)行的、 這表明材料的實(shí)際降解速率可能低于圖6所示。雖然組織工程支架的降解速度與新組織形成的速度相匹配是理想的。

Fig.7硅纖維支架生物相容性的體外評(píng)估：接種hMSCs后1、7和14天二氧化硅支架的活/死和SEM圖像?；?死成像成像顯示最小的細(xì)胞死亡和種子細(xì)胞的快速增殖。SEM成像也顯示了同樣的趨勢(shì)，細(xì)胞在第14天達(dá)到融合。插入物顯示了細(xì)胞附著到二氧化硅纖維的特寫鏡頭，細(xì)胞以紅色突出顯示。

為了進(jìn)一步評(píng)估成骨能力，將hMSC種在二氧化硅支架進(jìn)行體外礦化，通過茜素紅染色進(jìn)行定量。二氧化硅支架在7、14和21天后的茜素紅染色較高，在培養(yǎng)14天后達(dá)到最大值（Fig.8C）。同時(shí)，在TCP上培養(yǎng)的細(xì)胞在所有時(shí)間點(diǎn)都顯示出最低水平的茜素紅染色，表明礦化很少發(fā)生。在整個(gè)時(shí)間點(diǎn)，二氧化硅支架上的茜素紅染色程度大約是TCP上培養(yǎng)的細(xì)胞的10倍，這表明了二氧化硅纖維支架的體外成骨特性。接種在二氧化硅支架上的細(xì)胞也顯示出比在TCP中培養(yǎng)的細(xì)胞更高的ALP活性水平。接種在二氧化硅框架上的細(xì)胞ALP活性的早期增加可能表明已開發(fā)的二氧化硅支架具有成骨特性。（Fig.8B）

10. 結(jié)論

綜上所述，本研究報(bào)告了一種合成非晶態(tài)二氧化硅纖維基質(zhì)作為可降解支架系統(tǒng)的有效方法，該支架系統(tǒng)具有改善的孔隙和力學(xué)性能，用于組織工程。各種基質(zhì)工藝參數(shù)，包括燒結(jié)溫度和添加劑，提供了進(jìn)一步操縱該生物活性材料平臺(tái)的孔隙和降解特性的額外自由度，具有優(yōu)越的實(shí)用性。90%的多孔基質(zhì)具有50-200μm大小的孔隙，允許500%重量的吸水率而不損失結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度是非晶二氧化硅基質(zhì)的一些獨(dú)特特征。該材料平臺(tái)提供了水凝膠和其他聚合物/陶瓷基支架系統(tǒng)有益的親水性，同時(shí)最大限度地減少了這些系統(tǒng)的潛在缺點(diǎn)，例如在滅菌、處理方面的困難以及由于膨脹或降解而導(dǎo)致的機(jī)械性能的快速損失。這些基質(zhì)在40周內(nèi)失去了30%的原始重量，并支持培養(yǎng)的HMSCs的成骨表型發(fā)展。正在進(jìn)行的研究正在評(píng)估這些基質(zhì)進(jìn)一步增強(qiáng)孔隙，降解，以及在多種組織類型中的生物相容性和組織愈合能力。