智能、彈性納米纖維基3D支架促進骨質疏松骨再生

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04313

不規則形狀骨質疏松性骨缺損的治療一直是研究的重點。生物活性玻璃作為一種有吸引力的骨再生材料，其固有的脆性極大地限制了其應用范圍。在此，作者報道了生物活性玻璃(SiO₂-CaO)納米纖維的制備，該纖維具有良好的柔韌性，甚至可以彎曲180°。以殼聚糖為交聯劑，將具有生物活性的納米玻璃纖維進一步組裝成三維纖維支架。將85SiO₂-15CaO納米纖維和殼聚糖(85SiO2-15CaO NF/CS)組裝而成的支架，與75SiO₂-25CaO納米纖維和殼聚糖基支架相比，具有顯著的力學性能。此外，85SiO₂-15CaO NF/CS支架表現出彈性行為，80%的壓縮完全恢復，水下壓縮1000次后具有良好的抗疲勞性能。在植入后，彈性纖維支架能夠變形并適應不規則形狀的骨缺損。85SiO₂-15CaO NF/CS支架用于大鼠骨質疏松性顱骨缺損的修復，可顯著促進骨再生和血管形成。這種新型的三維纖維支架為復雜骨修復的工程智能材料提供了一種有前途的發展方向。

圖1制備具有彈性的3D SiO2-CaO NF/CS支架以改善骨質疏松大鼠骨修復的原理圖。(a)開發具有優越柔韌性的SiO2-CaO納米纖維。(b)具有良好彈性的3D SiO2-CaO NF/CS支架的生成。(c)自展性支架微創移植修復骨質疏松大鼠顱骨缺損。

圖2具有生物活性的納米SiO2-CaO纖維。(a)經800℃煅燒的脆性75SiO2-25CaO納米纖維墊和柔性85SiO2-15CaO納米纖維墊的照片。(b) 800℃煅燒的85SiO2-15CaO彎曲納米纖維氈的SEM圖像。(c) SiO2-CaO納米纖維在800、900和1000℃煅燒的SEM圖像。(d)SiO2-CaO納米纖維在800℃焙燒時的礦化性能。SiO2-CaO納米纖維在800、900和1000℃下煅燒的(e) FTIR和(f) XRD。

圖3彈性三維SiO2-CaO NF/CS納米纖維支架。(a)殼聚糖、75SiO2-25CaO NF/CS和85SiO2-15CaO NF/CS支架的SEM圖像和壓縮曲線。(c)存儲(G ')和損耗模量(G ")作為頻率的函數。(d) SiO2-CaO NF/CS支架與其他納米增強支架的三維壓縮模量圖。(e) 85SiO2-15CaO NF/CS支架在水介質中的形狀恢復能力。(f) 85SiO2-15CaO NF/CS支架在不同壓縮速度下的壓縮曲線，在水介質中應變為20%。(g)85SiO2-15CaO各種形狀的NF/CS支架植入到不規則形狀的空腔模型中的自展開行為。

圖485SiO2-15CaO NF/CS支架材料對大鼠骨質疏松模型體外生物相容性和體內骨再生能力的影響。(a) MSC培養7天后原位礦化支架的SEM圖像。(b)礦化85SiO2-15CaO NF/CS支架的EDS分析。(c)支架內培養的MSCs的活/死染色。(d) SEM和F-actin染色顯示細胞形態學特征。(e)殼聚糖和SiO2-CaO NF/CS支架中培養1、3和7天后MSC的細胞活力。(f) 從軸位和橫斷面重建正常和骨質疏松大鼠股骨遠端微CT圖像。(g)術后2、3個月大鼠顱骨缺損的三維重建微CT圖像及(h) BV/TV。

圖5促進SiO2-CaO NF/CS支架的骨再生和血管化骨質疏松大鼠植入后3個月MSC負載SiO2-CaO NF/CS支架。(a)H&E和馬森三色染色和(b) 在術后3個月OPN, OCN, VEGF,α-SMA、CD31, CD34免疫染色的鼠顱缺陷。(c) OPN，(d) OCN和(e)再生血管的定量分析。