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上海硅酸鹽所在微生物催化生物陶瓷用于骨再生方面取得重要進展
發布時間: 2021-10-21 22:44 | 【 【打印】【關閉】

  骨骼是一種復雜的生物礦化組織,由微納米尺度的有機(細胞、蛋白質)和無機(羥基磷灰石、碳酸鈣)材料組裝而成。理想的生物材料需要具有優良的骨傳導性與骨誘導性,能高效促進新生骨的形成。而生物材料植入體的表面與宿主細胞直接接觸,其物理化學特征是生物材料成功應用的關鍵因素之一。越來越多證據表明,材料表面的微納米形貌及其化學特征能有效調控細胞的成骨活性。然而,傳統的三維打印陶瓷支架的表面改性主要基于水熱法、有機模版法等化學方法,這種非生物調控的礦化過程不利于晶體尺寸與結晶度的控制,從而限制了其生物學效應的高效發揮。 

  近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領的研究團隊提出微生物催化活性礦物誘導成骨的思想,并利用微生物催化作用構建生物陶瓷支架表面微納米結構用于骨組織再生。受自然界中微生物礦化現象的啟發,研究團隊通過微生物催化作用在傳統陶瓷材料(硅酸鹽)表面生長出具有生物活性的納米碳酸鈣礦物,將傳統陶瓷材料與微生物基活性材料相結合用于骨組織工程(如圖1所示)。該研究成果以“Microbially Catalyzed Biomaterials for Bone Regeneration”為題發表在Advanced Materials (Adv. Mater., 2021, 2104829),并申請專利一項。論文共同第一作者為上海硅酸鹽所已出站博士后李蒙蒙與馬紅石副研究員,指導教師為吳成鐵研究員。 

  研究團隊利用產脲酶菌(S.cohnii)的代謝作用在陶瓷材料表面誘導出均勻的生物礦化層 (如圖2所示)。在這個過程中,微生物首先粘附在基底陶瓷表面,在脲酶和碳酸酐酶的催化下提升微環境中的pHCO32-濃度。同時,細菌細胞壁表面的負電性基團吸附Ca2+,促進碳酸鈣顆粒的結核與生長。微生物在陶瓷材料表面構建的納米碳酸鈣礦物明顯抑制了硅酸鈣陶瓷的快速降解,并對骨髓間充質干細胞的粘附、鋪展、增殖、遷移和分化等細胞生物活性具有更好的促進作用。在皮下植入和大塊骨缺損修復動物實驗中,微生物催化的表面生物材料具有良好的生物相容性,表現出顯著的促骨組織再生的優良生物活性 (如圖3所示)。綜上所述,微生物催化的生物活性材料用于骨組織再生是一種微生物與組織工程相結合的新方法,這種策略為生物醫學材料的制備提供了新思路。 

  相關研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委等基金支持。 

  相關鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202104829

 

1. 微生物催化活性礦物誘導成骨示意圖

 

2. (a) 微生物在硅酸鈣陶瓷表面催化的微納米碳酸鈣結構;(b) 微生物修飾陶瓷表面的XRD分析;(c) 微生物催化表面微納米結構的過程; (d-g) 微生物處理陶瓷材料的過程中溶液各組分的變化,d)細菌增殖,e)代謝產物NH4+的濃度,f)溶液中pH變化,d)陶瓷材料中Si離子的釋放

3. 微生物催化活性礦物形成在三維支架上誘導骨形成。 (a1-d1) 在兔子骨缺損中植入12周后缺損處宏觀形貌;(a2-d3) Micro-CT分析的橫切面和縱剖面的3D圖;(e) 新生骨評價BV/TV;  (f-i) 硬組織切片;(j) 低倍數照片

    

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