生物医用材料专题
编者按
本专题主要报道了骨小梁仿生微结构、血管生成及修复临界性骨缺损 、可印刷柔性应变传感器、南极磷虾壳聚糖、聚乙烯亚胺系统、生物打印技术等生物医用材料领域的重要研究成果及进展，欢迎各位品读。
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潘浩波 研究员
中国科学院深圳先进技术研究院人体组织与器官退行性研究中心主任
主要研究方向为骨再生材料与生物医用材料。
文章列表
2018, 7(1):1-10.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201801001
摘要:
骨小梁的生物机制因其复杂的三维微结构和微环境及其与成骨细胞之间的相互作用，已被世界各国学者在骨修复重建和骨再生领域中研究和应用。然而，以往的研究缺乏对体内骨小梁真实环境的模拟，尤其是缺乏对骨小梁微结构的精确量化及其与微环境相互作用条件下骨骼再生的研究与应用。该研究开发一种新的骨小梁仿生微结构的解析与构建方法来分析和构建骨小梁的三维环境。该方法基于 Micro CT 兔股骨近端松质骨扫描，采用 Mimics 和 Rhino 软件构建三维松质骨模型并分析其几何特征，应用斯特林公式和 3D 打印骨小梁结构，对仿生骨小梁结构进行了解析和构建。截面积对比和结构相似性分析表明，仿生松质骨与天然松质骨结构达到很高的相似度(达 95% 以上)；体外细胞实验表明，仿生骨小梁微环境能够提供较好的细胞生长微环境。该研究可为组织工程临床研究与应用提供有力的工具。
骨小梁的生物机制因其复杂的三维微结构和微环境及其与成骨细胞之间的相互作用，已被世界各国学者在骨修复重建和骨再生领域中研究和应用。然而，以往的研究缺乏对体内骨小梁真实环境的模拟，尤其是缺乏对骨小梁微结构的精确量化及其与微环境相互作用条件下骨骼再生的研究与应用。该研究开发一种新的骨小梁仿生微结构的解析与构建方法来分析和构建骨小梁的三维环境。该方法基于 Micro CT 兔股骨近端松质骨扫描，采用 Mimics 和 Rhino 软件构建三维松质骨模型并分析其几何特征，应用斯特林公式和 3D 打印骨小梁结构，对仿生骨小梁结构进行了解析和构建。截面积对比和结构相似性分析表明，仿生松质骨与天然松质骨结构达到很高的相似度(达 95% 以上)；体外细胞实验表明，仿生骨小梁微环境能够提供较好的细胞生长微环境。该研究可为组织工程临床研究与应用提供有力的工具。
2018, 7(1):11-24.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201801002
摘要:
基因修饰促血管化的支架是促进骨再生的有效方法之一，它可以将目的基因转移到内源性细 胞中实现生长因子原位、持续表达，诱导内源性细胞的增殖、迁移和分化，从而促进骨组织再生。该 文以慢病毒介导基因修饰多孔 PLGA/nHAp 复合支架诱导血管生成为研究对象，采用静电吸附和低温冷冻方法制备基因修饰多孔 PLGA/nHAp 复合支架；以小鼠顶骨临界性骨缺损为模型，利用多模态双光子及光声显微成像技术在体、实时、连续监测，研究骨修复过程中基因修饰多孔支架诱导血管化的动态过程。体外实验结果显示，慢病毒颗粒从支架上的持续释放长达 5 天，缓释出的病毒颗粒可以有效转染 293T 细胞并表达 PDGF-BB 因子。体内实验结果表明，慢病毒介导基因修饰多孔 PLGA/nHAp 复合支架，可以实现 PDGF-BB 因子原位表达，促进体内局部及系统性干细胞等细胞迁移，加快血管诱导生成并提高骨缺损部位骨组织的再生能力。同时，在该研究中，成功使用并比较了多模态双光子及光 声显微成像技术在体、实时、连续监测 3D 骨组织支架内血管形成的动态变化过程，并验证了基因修饰对于提高 3D 打印支架的生物学反应性的作用。该研究为研究不同支架对血管生成作用的监测与鉴定提供了新的技术手段。
基因修饰促血管化的支架是促进骨再生的有效方法之一，它可以将目的基因转移到内源性细 胞中实现生长因子原位、持续表达，诱导内源性细胞的增殖、迁移和分化，从而促进骨组织再生。该 文以慢病毒介导基因修饰多孔 PLGA/nHAp 复合支架诱导血管生成为研究对象，采用静电吸附和低温冷冻方法制备基因修饰多孔 PLGA/nHAp 复合支架；以小鼠顶骨临界性骨缺损为模型，利用多模态双光子及光声显微成像技术在体、实时、连续监测，研究骨修复过程中基因修饰多孔支架诱导血管化的动态过程。体外实验结果显示，慢病毒颗粒从支架上的持续释放长达 5 天，缓释出的病毒颗粒可以有效转染 293T 细胞并表达 PDGF-BB 因子。体内实验结果表明，慢病毒介导基因修饰多孔 PLGA/nHAp 复合支架，可以实现 PDGF-BB 因子原位表达，促进体内局部及系统性干细胞等细胞迁移，加快血管诱导生成并提高骨缺损部位骨组织的再生能力。同时，在该研究中，成功使用并比较了多模态双光子及光 声显微成像技术在体、实时、连续监测 3D 骨组织支架内血管形成的动态变化过程，并验证了基因修饰对于提高 3D 打印支架的生物学反应性的作用。该研究为研究不同支架对血管生成作用的监测与鉴定提供了新的技术手段。
2018, 7(1):25-33.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201801003
摘要:
该文主要研究了导电浆料 PS@Ag/PDMS 的流变特性与印刷性，以聚苯乙烯微球表面镀 银(PS@Ag)的核壳结构粒子为导电填料，与聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物及其固化剂复合配制 PS@Ag/PDMS 导电浆料，采用丝网印刷技术与旋涂工艺制备得到 PDMS-PS@Ag/PDMS-PDMS 三明治结构柔性应变传感器。柔性应变传感器在人体运动行为中的实时监测结果显示，该传感器在手肘关节与膝盖关节的弯曲——伸展循环运动中的相对电阻变化率分别高达约 0.75 0.50，展现出较高的可拉伸柔性、灵敏度及一致性，在人体运动行为监测中具有广阔的应用前景。
该文主要研究了导电浆料 PS@Ag/PDMS 的流变特性与印刷性，以聚苯乙烯微球表面镀 银(PS@Ag)的核壳结构粒子为导电填料，与聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物及其固化剂复合配制 PS@Ag/PDMS 导电浆料，采用丝网印刷技术与旋涂工艺制备得到 PDMS-PS@Ag/PDMS-PDMS 三明治结构柔性应变传感器。柔性应变传感器在人体运动行为中的实时监测结果显示，该传感器在手肘关节与膝盖关节的弯曲——伸展循环运动中的相对电阻变化率分别高达约 0.75 0.50，展现出较高的可拉伸柔性、灵敏度及一致性，在人体运动行为监测中具有广阔的应用前景。
2018, 7(1):34-42.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201801004
摘要:
为更加精确地控制阳极氧化制备二氧化钛纳米管(Titanium Dioxide Nanotubes，TNT)阵列层 的尺寸，采用高压扭转加工(10 转)，使粗晶粒钛(13 μm)转变为超细晶粒钛(135 nm)，再采用两步阳极氧化法(30 V 直流电，时间 16 h、6 h)在两种钛试样上制备二氧化钛纳米管阵列层。金相、透射电镜、扫描电镜观察和接触角测试结果表明，高压扭转加工造成的晶粒细化使 TNT 阵列层更厚、管径更均匀，也改变了 TNT 阵列层的形貌，使接触角增大。该实验还探讨了两步氧化法提高 TNT 阵列层质量和晶粒细化影响 TNT 阵列层结构和润湿性的机理。
为更加精确地控制阳极氧化制备二氧化钛纳米管(Titanium Dioxide Nanotubes，TNT)阵列层 的尺寸，采用高压扭转加工(10 转)，使粗晶粒钛(13 μm)转变为超细晶粒钛(135 nm)，再采用两步阳极氧化法(30 V 直流电，时间 16 h、6 h)在两种钛试样上制备二氧化钛纳米管阵列层。金相、透射电镜、扫描电镜观察和接触角测试结果表明，高压扭转加工造成的晶粒细化使 TNT 阵列层更厚、管径更均匀，也改变了 TNT 阵列层的形貌，使接触角增大。该实验还探讨了两步氧化法提高 TNT 阵列层质量和晶粒细化影响 TNT 阵列层结构和润湿性的机理。
2018, 7(1):43-50.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201801005
摘要:
南极磷虾生活在南冰洋的南极洲水域，是壳聚糖的新型来源，其具有无污染的天然优势，巨大的生物质存量有利于提高提取的天然生物材料质量稳定性；同时，极端的自然环境可使其具有特殊的理化性质。该研究以南极磷虾虾壳作为原料，通过化学方法提取壳聚糖，并对提取工艺的不同脱钙、脱蛋白以及脱乙酰条件进行探索和优化。结果显示，提取的南极磷虾壳聚糖粉末呈亮白色，脱乙酰度达90.6%，分子量为 123 kDa，灰分含量为0.095%。在凝血实验评价中，南极磷虾壳聚糖的止血效果明显优于其他商品化来源的壳聚糖，在止血方面具有潜在应用前景。
南极磷虾生活在南冰洋的南极洲水域，是壳聚糖的新型来源，其具有无污染的天然优势，巨大的生物质存量有利于提高提取的天然生物材料质量稳定性；同时，极端的自然环境可使其具有特殊的理化性质。该研究以南极磷虾虾壳作为原料，通过化学方法提取壳聚糖，并对提取工艺的不同脱钙、脱蛋白以及脱乙酰条件进行探索和优化。结果显示，提取的南极磷虾壳聚糖粉末呈亮白色，脱乙酰度达90.6%，分子量为 123 kDa，灰分含量为0.095%。在凝血实验评价中，南极磷虾壳聚糖的止血效果明显优于其他商品化来源的壳聚糖，在止血方面具有潜在应用前景。
2018, 7(1):51-58.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201801006
摘要:
小 RNA 是 T 细胞发育、分化和功能的重要调控分子，但目前仍缺乏安全有效的 T 细胞 RNA 转 染系统。基于 T 细胞表面唾液酸化的特性，该文利用苯硼酸和唾液酸的相互作用，带动苯硼酸修饰的聚乙烯亚胺系统(Polyethylenimine-Phenylboronic Acid，PEI-PBA)介导小 RNA 的 T 细胞转染。通过细胞计数试剂盒(CCK-8)和羟基荧光素二醋酸盐琥珀酰亚胺脂(CFSE)实验显示，PEI-PBA 转染系统对 T 细胞无显著细胞毒性和异常增殖。同时，流式检测人源抗 CD3/28 磁珠激活下的分化抗原 3(CD3)阳性 T 细胞在 PEI-PBA 转染系统下，小 RNA 平均摄取率增加到18.43%，而在鼠源 T 细胞中 PEI-PBA 介导的小 RNA 转染并无明显效果。结果显示，PEI-PBA 纳米转染系统介导小 RNA 的递送具有无毒高效的特点。
小 RNA 是 T 细胞发育、分化和功能的重要调控分子，但目前仍缺乏安全有效的 T 细胞 RNA 转 染系统。基于 T 细胞表面唾液酸化的特性，该文利用苯硼酸和唾液酸的相互作用，带动苯硼酸修饰的聚乙烯亚胺系统(Polyethylenimine-Phenylboronic Acid，PEI-PBA)介导小 RNA 的 T 细胞转染。通过细胞计数试剂盒(CCK-8)和羟基荧光素二醋酸盐琥珀酰亚胺脂(CFSE)实验显示，PEI-PBA 转染系统对 T 细胞无显著细胞毒性和异常增殖。同时，流式检测人源抗 CD3/28 磁珠激活下的分化抗原 3(CD3)阳性 T 细胞在 PEI-PBA 转染系统下，小 RNA 平均摄取率增加到18.43%，而在鼠源 T 细胞中 PEI-PBA 介导的小 RNA 转染并无明显效果。结果显示，PEI-PBA 纳米转染系统介导小 RNA 的递送具有无毒高效的特点。
2018, 7(1):59-71.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201801007
摘要:
三维打印是一门快速发展的增材制造技术，能精确控制三维支架的外形及内部微结构，从而实 现个性化医疗，在组织修复或再生领域拥有巨大的应用潜力。近年来，基于三维打印技术发展而成的三维生物打印(Three-Dimensional Bioprinting，Bio-3DP)受到越来越多研究者的关注，该技术突破了传统组织工程技术生物功能设计的局限性，可精确控制细胞在支架材料中的定点分布，微观上构建具有适合细胞生存的微环境，为细胞提供了真正的三维均衡生长环境，使得复杂器官具有匹配构建和个性化再生的可能。该文主要综述 Bio-3DP 技术和用于 Bio-3DP 的生物墨水的最新研究进展，由此展望 Bio-3DP 在组织与器官修复中的应用潜力。
三维打印是一门快速发展的增材制造技术，能精确控制三维支架的外形及内部微结构，从而实 现个性化医疗，在组织修复或再生领域拥有巨大的应用潜力。近年来，基于三维打印技术发展而成的三维生物打印(Three-Dimensional Bioprinting，Bio-3DP)受到越来越多研究者的关注，该技术突破了传统组织工程技术生物功能设计的局限性，可精确控制细胞在支架材料中的定点分布，微观上构建具有适合细胞生存的微环境，为细胞提供了真正的三维均衡生长环境，使得复杂器官具有匹配构建和个性化再生的可能。该文主要综述 Bio-3DP 技术和用于 Bio-3DP 的生物墨水的最新研究进展，由此展望 Bio-3DP 在组织与器官修复中的应用潜力。
