研究人員開發出可再生骨骼的”骨繃帶”
研究人員透過製造一種獨立的仿生物支架,將壓電框架和一種天然礦物質的生長促進特性結合在一起,成功地使小鼠受損的顱骨再生。這種新型”骨繃帶”在骨再生和再生醫學方面具有廣泛的應用前景。
壓電材料在施加機械應力時會產生電荷。骨骼就是一種壓電材料。由於骨骼具有電微環境,電訊號在骨修復過程中發揮重要作用,可有效促進骨再生。然而,骨再生是一個複雜的過程,依賴機械、電氣和生物成分。
目前的骨再生策略,如釋放生長因子的移植物或支架,都有其局限性,如供體部位的併發症、有限的可用性和高昂的成本。現在,韓國科學技術院(KAIST)的研究人員開發了一種開創性的骨再生方法,它將壓電和一種天然存在於骨骼中的礦物質結合在一起。
羥基磷灰石(HAp)是骨骼和牙齒中的礦物質,在骨骼結構強度和再生中發揮作用。它通常被添加到牙膏中,用於重新礦化琺瑯質和強化牙齒。研究發現,HAp 能促進成骨(骨形成),為新骨生長提供支架。它還具有壓電特性和粗糙的表面,是製作骨生長支架的理想材料。
因此,研究人員製作了一個獨立的仿生物支架,將HAp整合到聚合物薄膜聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))的壓電框架中。這種獨立的支架在施加壓力時會產生電訊號,這使得這種方法有別於以往將HAp和P(VDF-TrFE)結合在一起的研究,後者僅限於金屬假體的塗層。他們說,研究人員的新方法為骨再生提供了一個多功能平台,超越了表面結合應用。
將含有和不含HAp的支架進行體外比較後發現,HAp支架上的細胞附著率高出10%至15%。細胞培養五天后,HAp 支架上的細胞增殖率提高了20% 至30%,成骨水平提高了約30% 至40%。研究結果表明,HAp 最大限度地提高了支架的壓電特性,並創造了一種類似於人類細胞外基質的環境,細胞外基質是所有組織的非細胞成分,它提供了組織再生所需的基本物理結構和重要線索。
(d)顯微CT 影像顯示使用不同支架的小鼠頭骨的骨再生情況;(e)支架植入後2、4 和6 週的骨量和麵積Joo 等人
研究人員隨後在小鼠身上測試了他們的HAp/P(VDF-TrFE)支架,將其置於動物頭骨(小腿骨)的缺損處。支架維持了六週,沒有變形。所有小鼠都存活了下來;沒有觀察到任何不良反應,包括感染或發炎反應。植入兩週、四周和六週後,與對照組沒有骨形成相比,安裝了HAp支架的小鼠的骨再生能力明顯增強。
該研究的通訊作者之一Seungbum Hong 說:”我們開發出了一種基於HAp 的壓電複合材料,它可以像’骨繃帶’一樣加速骨再生。這項研究不僅為生物材料的設計提出了新的方向,而且在探索壓電性和表面特性對骨再生的影響方面也具有重要意義。”
這項研究發表在《ACS 應用材料與介面》雜誌。