一、研究背景

疾病和外傷導致的口腔頜面骨缺損因發(fā)病率高、對生活質量造成負面影響并造成沉重的經濟負擔而成為全球關注的問題。植入骨移植材料是治療骨缺損最常用的手段。然而，不可降解的骨移植材料會因占據(jù)成骨空間而導致骨再生不完全，甚至被機體完全排斥。因此，開發(fā)可降解骨移植物成為修復骨缺損的重要方向。

聚合物、可降解生物陶瓷和金屬鎂是目前臨床上使用的三種可降解骨移植物。聚合物的形態(tài)可定制，免疫原性低，降解性可控。然而，酸性降解產物的釋放會導致局部 pH 值改變，骨傳導性和細胞粘附性差，這限制了它們在牙科中的應用。此外，骨組織中的水與聚合物之間的反應會導致相間降解，從而對不同層次材料的機械性能產生不利影響。

針對均質材料的局限性，復合材料可為生物可降解骨移植物提供互補性能和研發(fā)思路。聚乙二醇酸（PGA）具有良好的初始機械性能，彈性模量為 6 GPa - 7 GPa，強度為 90 MPa - 100 MPa，明顯優(yōu)于其他可降解合成聚合物。然而，PGA 降解太快，無法在成骨初期維持空間穩(wěn)定性，而且其降解過程中的酸性中間產物很容易誘發(fā)無菌性炎癥。源于蠶絲的 SF 具有完美的生物相容性，可用于骨缺損再生。SF 多層次結構的可調性可拓寬其機械性能和降解行為的范圍，其在體內的完全降解時間從 8 周到 1 年以上不等。然而，僅通過調整 SF 的結構來實現(xiàn)理想的降解和機械性能仍然具有挑戰(zhàn)性。我們實驗室小組之前的研究表明，SF/PGA 共混物具有良好的骨傳導性和組織相容性，但共混處理無法克服 PGA 的快速降解和水分子對 PGA 力學性能的削弱作用。

用聚合物溶液電紡絲制成的納米纖維支架可以在很大程度上模擬骨基質的結構。在此基礎上，同軸電紡絲作為一種提供芯殼纖維的靈活技術，與單組分聚合物相比，具有結合兩種聚合物優(yōu)點的獨特能力。不穩(wěn)定的內芯被外殼隔離開來，從而最大限度地降低了分解的幾率。由于骨移植材料在水環(huán)境中使用，水分子與材料之間的反應會導致相間降解，從而降低材料的機械性能。盡管許多研究都集中于電紡支架在骨缺損治療中的可能應用，但只有少數(shù)研究闡述了材料在液體環(huán)境中的轉化。

在本研究中，我們利用同軸電紡絲設備制備了同軸 PGA-SF-FS，假定其在濕潤狀態(tài)下具有逐步降解和卓越的韌性，可同時滿足骨缺損治療的機械和骨誘導要求。為了將這一假設正式化，我們通過分子動力學模擬（MDS）研究了水環(huán)境對 PGA-SF-FS 的分子機制。此外，我們還對 PGA-SF-FS、SF 纖維支架（SF-FS）和 PGA 纖維支架（PGA-FS）的形態(tài)、機械性能、降解行為和生物活性進行了表征。我們還通過體外實驗評估了細胞相容性，并通過體內實驗評估了組織相容性。

二、摘要

由于復雜的成骨環(huán)境和現(xiàn)有骨移植材料的局限性，口腔頜面部的骨再生在臨床上具有挑戰(zhàn)性。在生理環(huán)境中構建降解可控、機械性能穩(wěn)定的骨移植材料至關重要。在這項研究中，我們利用蠶絲纖維素（SF）和聚乙二醇酸（PGA）制成了同軸的 PGA-SF 纖維支架（PGA-SF-FS），以滿足骨移植的需求。SF 外殼具有出色的成骨活性，同時保護 PGA 免受快速降解，而 PGA 內核則為支架提供了出色的韌性。與生物相容性和成骨（如細胞附著、增殖、分化和礦化）相關的實驗表明，PGA-SF-FS 在改善細胞生長和成骨分化方面具有卓越的能力。此外，使用 Sprague-Dawley 大鼠顱骨缺損模型進行的體內測試表明，隨著植入時間的延長，PGA-SF-FS 可加速骨再生，其逐步降解的特性有助于與宿主骨組織的重塑動力學相匹配。此外，CD31和Col-1的免疫組化染色證實了PGA-SF-FS增強血管再生成和成骨反應的能力。我們的研究結果表明，PGA-SF-FS 充分利用了兩種成分的優(yōu)點，具有逐步降解的特性和在濕潤機制中的優(yōu)越韌性，是治療骨質疏松癥的理想候選材料。

三、結論

利用同軸電紡設備制造的 PGA-SF-FS 在潤濕條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性，并顯示出可控的逐步降解特性。PGA-SF-FS 在體外可明顯促進細胞粘附、增殖和成骨分化，在體內可支持血管生成和新骨形成。PGA-SF-FS 可控的降解行為、良好的延展性和骨傳導性使其在作為骨移植物和藥物載體治療骨缺損方面具有巨大潛力。

圖1.在單軸應力下，SF、PGA 和 PGA-SF 層狀復合聚合物在干燥和水合條件下的分子結構模擬。

 

圖2.制備的 SF-FS 和 PGA-SF-FS 的掃描電鏡顯微照片和相應的 EDS 元素圖譜（比例尺：低倍為 20 μm，高倍為 5 μm）。

圖3.SF-FS、PGA-FS、PGA-SF-FS 和對照組植入顱骨缺損 4、8 和 12 w 后的 HE 染色組織學圖像。

 

圖4.SF-FS、PGA-FS、PGA-SF-FS 和對照組在小腿缺損處植入 4、8 和 12 w 后的 MT 染色組織學圖像。白色虛線表示缺損邊緣，白色箭頭表示殘余支架，五角星表示新骨（比例尺：低倍為 2 mm，高倍為 200 μm）。