磁性功能支架用于骨组织工程的研究进展_段晶.pdf

材料导报 Materials Reports ISSN 1005-023X,CN 50-1078/TB 材料导报网络首发论文材料导报网络首发论文 题目：磁性功能支架用于骨组织工程的研究进展 作者：段晶，吴佳蕾，林涛，邵慧萍 网络首发日期：2022-06-20 引用格式：段晶，吴佳蕾，林涛，邵慧萍磁性功能支架用于骨组织工程的研究进展J/OL材料导报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 1 磁性功能支架磁性功能支架用于用于骨组织工程的研究进展骨组织工程的研究进展 段 晶，吴佳蕾，林 涛，邵慧萍*（北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083）支架引导再生在创伤、肿瘤、切除等引起的严重骨缺损的治疗和修复中起着至关重要的作用，目前发展的磁性功能支架已被证明自身或者结合外部磁场可以影响细胞代谢行为，通过磁性环境来促进骨组织再生，特别是结合外部磁场的作用，可以有效远程控制药物释放和激活细胞表面通道，介导一系列成骨相关通路，诱导细胞分化、促进组织生长、骨缺损再生等反应，同样磁性支架在热疗、磁共振成像、靶向递送等方面也有着广泛的应用潜能，因此利用磁性材料来提高骨组织工程效率、为骨缺损的修复提供了一定保障。本文综述了磁性支架的复合、制备技术、促进骨再生机制，以及磁场和磁性支架的协同功能，并总结几种磁性功能支架在骨组织修复工程领域中的研究及其应用。关键词：关键词：磁性纳米颗粒（MNPs）磁性功能支架 骨修复 骨组织工程 通讯作者：通讯作者：邵慧萍， 中图分类号：中图分类号：R318.08 文献标识码：文献标识码：A 引用格式：段晶，吴佳蕾，林涛，邵慧萍.磁性功能支架在骨组织工程中的研究进展 J.材料导报,2023,37(10):21100129 Research Progress of Magnetic Functional Scaffolds for Bone Tissue Engineering DUAN Jing,WU Jialei,LIN Tao,SHAO Huiping*Institute of Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Scaffold-guided regeneration performs an essential function in the therapy of severe bone defects caused by trauma,tumor,resection,and more.Magnetic scaffolds have been demonstrated to influence cellular metabolic behavior by themselves or external magnetic fields.In particular,the combination of external magnetic fields can effectively control the release of drugs and activate channels on the cell surface to mediate a series of osteogenesis-related pathways,promoting cell differentiation and tissue regeneration.Additionally,the magnetic scaffolds have potential applications in thermal therapy,magnetic resonance imaging,targeted delivery,etc.Therefore,the magnetic scaffolds provide a certain guarantee for improving the repair efficiency of bone tissue engineering.The composite methods,preparation technologies,mechanism of promoting bone regeneration for the magnetic scaffolds,and the synergistic function of magnetic field and magnetic scaffold have been reviewed in this paper.It also summarizes the applicatory research of several magnetic scaffolds in bone tissue repair engineering.Keywords:magnetic nanoparticles(MNPs),magnetic scaffolds,bone repair,bone tissue engineeringCorrespondence:Shao Huiping, 0 引言引言 网络首发时间：2022-06-20 17:25:44网络首发地址：https:/ DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 2 骨骼一般由羟基磷灰石（HA）、水和胶原蛋白等构成的矿物有机复合体，骨组织在提供运动机械支撑、保护重要器官以及调节钙、磷代谢中起到重要作用1。骨质缺损严重威胁着人类的健康，其诱因有很多种，包括各种事故、外科创伤、肿瘤、疾病感染、先天缺陷和老龄化等2，而创伤中骨移植需要大量的骨组织，由于自体骨的来源有限，异体骨又具有免疫原性应答或者疾病传播等问题3。因此，发展有效的骨组织修复与重建材料已经成为生物医学材料研究领域的重要部分。骨组织工程是一种在损伤部位重建功能性组织的方法，通常包括种子细胞、生长因子和多孔支架，所构建的系统要求满足生物力学条件、具有良好的生物相容性、适应机体的生理等4。尽管生物惰性和生物活性替代品已经在临床上成功应用，但还存在着许多问题，由于支架无法对生理或生物化学的刺激产生响应和植入物的表面性能抑制新组织的再生等，造成植入支架与体内骨不愈合或延迟接合甚至不接合5，此外，还存在支架植入后失去外部的直接干预影响，骨诱导活性因子等生物材料无法重新装填在支架上6，以及支架的血管化率低7等问题。受机械刺激和磁环境增强骨再生和骨折愈合的启发，磁性支架引起了越来越多研究者的关注，旨在通过磁性纳米粒子（MNPs）构建的磁性支架来改善上述问题8，磁性支架通过 MNPs改善支架表面性能，并且 MNPs 自身构建的磁性微环境可以影响细胞行为，明显诱导实质性血管组织和新骨组织形成，显示出优异的骨再生能力9,10。此外，磁性支架结合外部磁场能够通过驱动载药的磁性颗粒，使生长因子、激素和多肽等因子沉积在支架组织上，实现生物材料的重新装填和实时诱导骨组织再生，同时磁性支架在局部热疗、磁共振成像、基因治疗等方面有广阔的应用前景11-13，如图 1 所示，这些积极的结果表明，在支架中构建磁性微环境是促进骨再生和搭建多功能平台的有效策略。本文从磁性支架的基体材料、常见掺杂的 MNPs、MNPs 的复合方式和支架制备技术进行阐述，重点探讨了磁性支架的促进骨再生的功能、磁环境对骨组织再生的影响机制、磁性支架响应外部磁场对原位骨再生的协同作用，并介绍了几种功能磁性支架在热疗、靶向递送释放、磁共振成像等上的应用，此外还总结了磁性支架在骨修复和治疗中可能的潜在机制和前景。材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 3 图图 1 磁性支架的多种功能11 Fig.1 Multiple functions of magnetic scaffolds11 1 磁性支架磁性支架-促进骨再生促进骨再生 1.1 磁性支架基体材料磁性支架基体材料 磁性支架的构建主要将 MNPs 复合在基体材料中（少数磁性支架只采用 MNPs），目前骨组织修复工程中基体材料多采用具有生物活性和生物可降解性的材料，以及良好的骨诱导、骨传导和骨整合的性能要求。常采用陶瓷和高分子聚合物以及其复合材料来构建支架基体，陶瓷类多采用生物玻璃、硅酸钙、磷酸钙（TCP）、羟基磷灰石（HA），高分子聚合物类材料采用海藻酸钠、聚乳酸（PLA）、聚己交酯（PCL）、聚乙醇酸（PGA）、聚 L-丙交酯（PLLA）、聚乳酸-乙醇酸（PLGA）、壳聚糖（CS）、胶原蛋白、明胶等等14。随着人类对骨层次结构的进一步研究，采用仿生策略，来模拟天然骨的结构和性能，通过直接添加、原位矿化和 3D 打印等技术制备的矿化胶原蛋白支架是骨组织修复工程中理想的基体支架，此外，一些介孔结构材料、压电材料等特殊智能材料在骨修复上也有一定的应用潜能15。MNPs 由于其独特的磁性和良好的生物相容性而被用作生物材料，常被复合在基体材料中来构建磁性复合支架，以下通过几个方面来阐述 MNPs 在构建修复支架的多种功能。1）MNPs 通过细胞内吞进入细胞内部使其更容易影响细胞的生理功能16，并且一旦磁性颗粒暴露于外部磁场，它们将被快速磁化，磁性颗粒和磁场共同作用可以增强其骨组织修复治疗的有效性11。2）MNPs 本身是一个没有畴壁的单个磁畴，其作为微磁源可以产生微小的磁场，从而连续稳定地对细胞产生磁刺激，可以提高细胞的活性，促进细胞增殖分化，成骨基因的表达和骨基质的形成，对骨组织再生过程有积极的作用9,17。3）MNPs 使得支架的润湿性也得到改善，从而导致更多的蛋白质吸附和细胞附着和增殖，有效提高支架与生物体的整合18。4）掺杂 MNPs 还可以改善支架的结构性能和机械性能，而不会对理化反应和细胞相容性产生负面影响9,19。除此之外，在植入初期，炎症是支架不可避免的首要问题，磁性支架中的 MNPs 可以抑制慢性炎症反应并刺激急性炎症反应，并且磁性支架可以募集炎症相关的蛋白和免疫细胞，这显著增强骨伤口的愈合和细胞外基质的重塑，并促进了炎症免疫向再生阶段的过渡，有文献证明长期暴露于磁环境可能通过刺激促炎细胞因子的产生和增加某些血液学参数来影响免疫反应20,21。因此将磁性纳米材料掺杂在骨组织修复支架中，