骨折和骨缺損，對患者造成嚴(yán)重的健康問題。在臨床治療方面，人們積極探索合成支架來促進(jìn)臨界骨再生，而電刺激被認(rèn)為是促進(jìn)這一過程的有效輔助手段。
在此，來自清華大學(xué)和北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院的研究者，開發(fā)了一種集成了薄膜硅(Si)基微結(jié)構(gòu)的三維仿生支架。相關(guān)論文以題為“A 3D biomimetic optoelectronic scaffold repairs cranial defects”發(fā)表在Science Advances上。與此同時，該篇文章登上同期Science Advances的封面。
每年有超過數(shù)百萬的患者患有骨折、創(chuàng)傷性損傷和先天性殘疾等骨病。骨病是一個嚴(yán)重的全球公共衛(wèi)生問題，導(dǎo)致畸形、長期住院、生活質(zhì)量下降、死亡風(fēng)險增加，經(jīng)濟負(fù)擔(dān)增加。雖然天然骨組織在輕微損傷時具有固有的自我再生能力，但較大的骨折或大量缺損在不進(jìn)行手術(shù)干預(yù)的情況下很難實現(xiàn)完全的功能恢復(fù)。再生臨界大小骨缺損的標(biāo)準(zhǔn)方法之一依賴于自體移植，自體移植不僅對缺損區(qū)域的骨形成具有理想的骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)特性，但也存在局限性，包括其有限的可用性和供體部位發(fā)病率的高風(fēng)險。為了克服自體移植物的上述局限性，合成生物支架(生物支架)提供了一種很有前途的骨組織工程治療方法，它可以作為替代物填補缺損，并通過模擬細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境為細(xì)胞粘附、生長和分化提供地形支持。從材料、結(jié)構(gòu)、生物功能策略等方面，人們都在努力制備理想的平臺，以促進(jìn)生物支架的骨再生性能。
以天然骨組織為靈感，具有三維層次結(jié)構(gòu)的先進(jìn)支架，在骨再生中得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。礦化材料因其結(jié)構(gòu)和組成仿生特點，在生物支架的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。一方面，礦化支架由多種成分組成，包括膠原蛋白、生物陶瓷[如羥基磷灰石(HA)]和合成聚合物[如聚ε-己內(nèi)酯(PCL)]，形成天然骨的主要成分。另一方面，它們具有從微米到納米級的多層骨狀層次結(jié)構(gòu)。這些傳統(tǒng)支架為細(xì)胞生長和分化提供了地形和機械支持。在附加的生物功能方面，生化(生長因子、藥物等)和物理(電、熱、光、磁等)刺激被用于增強惰性合成支架的成骨生物活性。與生物化學(xué)線索相比，物理線索在與生物系統(tǒng)相互作用時具有較高的時空分辨率和更穩(wěn)定可控的操作。具體而言，電轉(zhuǎn)導(dǎo)信號是生物活性的基礎(chǔ)，外部電刺激激發(fā)骨組織內(nèi)源性電場已被廣泛應(yīng)用于加速骨再生，甚至在臨床治療頑固性遲發(fā)性骨折和骨不連骨折。
傳統(tǒng)的電療法，利用直流電或交流電刺激進(jìn)行骨再生，包括植入控制電路和電源的電極。最近，研究人員還研究了基于光電電容器、靜電和壓電器件的電活性材料和器件，這些材料和器件可以無線或自供電。雖然這些工作證明了調(diào)節(jié)各種類型的細(xì)胞和組織用于研究和治療目的的能力，但在骨再生過程中，光/電信號和干細(xì)胞活動之間的相互作用卻很少被利用。此外，非常希望實現(xiàn)一種能夠(i)模擬分層骨結(jié)構(gòu)，(ii)產(chǎn)生無線供電電信號并影響細(xì)胞行為，以及(iii)在生物環(huán)境中完全兼容和可降解的支架。研究者認(rèn)為，這種電活性生物支架可以用于組織再生，并在生物醫(yī)學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。
在這項工作中，研究者提出了一種用于骨組織再生的三維生物降解光電生物支架。該支架將圖案化硅(Si)薄膜嵌入到HA礦化膠原蛋白/PCL結(jié)構(gòu)中，可以在生物環(huán)境中完全溶解。在培養(yǎng)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hBMSCs)時，仿生多尺度分層結(jié)構(gòu)為細(xì)胞粘附、生長和分化提供了良好的地形支持。響應(yīng)近紅外(IR)照明，Si結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電信號，去極化細(xì)胞電位和喚起細(xì)胞內(nèi)鈣活動。這些光電信號進(jìn)一步調(diào)節(jié)hBMSCs向成骨分化。最后，體內(nèi)實驗表明，硅基生物支架促進(jìn)鼠類模型顱骨缺損的再生。
圖1 用硅納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建三維光電骨再生支架的仿生策略。
圖2 三維光電支架的結(jié)構(gòu)與降解性能。
圖3 硅微結(jié)構(gòu)對hBMSCs形態(tài)進(jìn)化和分化行為的影響。
圖4 三維支架的體外光電響應(yīng)。
圖5 柱狀硅薄膜培養(yǎng)hBMSCs的光致電生理活性。
圖6 在具有柱狀結(jié)構(gòu)的硅膜上培養(yǎng)的hBMSCs的光誘導(dǎo)胞內(nèi)鈣動態(tài)。
圖7 內(nèi)源性光電刺激下hBMSCs對Si結(jié)構(gòu)的成骨和增殖行為。
圖8 硅基三維支架骨再生的體內(nèi)評價。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq7750
京公網(wǎng)安備11010802046783號
