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受生物启发的矿化木材水凝胶复合材料有望用于骨骼修复

         水凝胶由于具有与细胞外基质(ECM)结构和成分相似、含水量高、生物相容性好、生物物理和生物生化特性可调等优点,被认为是组织工程研究的一个很有前途的候选材料。然而,常规的合成水凝胶通常具有各向同性的网络结构、不足的机械性能和缺乏骨传导性等缺点,这极大地限制了其在骨修复中的应用。理想的骨修复水凝胶除了要具备良好的结构和力学外,还应具有骨传导功能。近年来,人们利用协同交联技术制备了具有骨诱导能力的各向异性丝质纳米纤维水凝胶,然而将各向异性结构、显著的力学性能和骨传导性整合到水凝胶中仍然是一个主要的挑战。
       在近期一篇发表于《
ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》的文章中,南方科技大学材料科学与工程系、五邑学院纺织材料与工程学院、西南交通大学材料科学与工程学院材料先进技术教育部重点实验室等研究人员受天然骨骼和木材的启发,提出了一种仿生策略。该方法可通过将生物相容性水凝胶浸渍到脱木素的木材中,然后再原位矿化羟基磷灰石(HAp)纳米晶体来制造高度各向异性、超强且坚硬且具有骨传导性的水凝胶复合材料(MWH)。排列良好的纤维素纳米原纤维使复合材料具有高度各向异性的结构和机械性能,对齐的纤维素纤维的强分子间键和水凝胶/木材相互作用以及HAp的增强纳米填料使复合材料具有显著的抗张强度和弹性模量,比常规藻酸盐水凝胶高三个数量级,几乎超过了目前所有的强力水凝胶。除此之外,在体外这种水凝胶复合材料能促进成骨前细胞粘附、扩散、增殖和成骨分化,在体内可以诱导骨形成、增强骨融合。但是它也存在一定的局限性。首先,由于某一特定木种的木质纤维素和木质素含量范围较窄,应通过脱木质素预处理得到具有相似结构的木材模板,松木是目前应用最广泛的木材品种之一,所以使用天然材料作为模板制备支架可能会出现再现性问题。其次,研究发现MWH内只有少量的骨长入,这表明浸润的藻酸盐水凝胶的生物降解率应该进一步提高。最后,理想情况下,水凝胶的降解速率应该与骨再生速率相匹配,但是由于人体缺乏纤维素酶,所以纤维素骨架在体内不能降解,但其良好的生物相容性使其可以作为植入物安全地长期存在于人体。所以他们接下来的研究将放在将木质模板修改为半可降解多孔支架,来寻求模板孔隙率和力学性能之间的平衡。
        这项研究提供了一种低成本、生态友好、可行且可扩展的方法来制造各向异性、坚硬、亲水和骨传导性的水凝胶复合材料,显著的性能使其成为一种有前途的骨修复候选材料。(来源:QYIM & AMSC XJ QU编报)
 

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