骨组织工程支架材料

生物材料——骨组织工程讨论组织工程（Tissue Engineering）是近年来正在兴起的一门新兴学科，组织工程一词最早是由美国国家科学基金会1987年正式提出和确定的。

它是应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上。

研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代物的科学。

组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。

共基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目的。

骨组织构建构建组织工程骨的方式有几种：①支架材料与成骨细胞；②支架材料与生长因子；③支架材料与成骨细胞加生长因子。

生长因子通过调节细胞增殖、分化过程并改变细胞产物的合成而作用于成骨过程，因此，在骨组织工程中有广泛的应用前景。

常用的生长因子有：成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子（TGF-ρ）、胰岛素样生长因子（IGF）、血小板衍化生长因子（PDGF）、骨形态发生蛋白（BMP）等。

它们不仅可单独作用，相互之间也存在着密切的关系，可复合使用。

目前国外重点研究的项目之一，就是计算机辅助设计并复合生长因子的组织工程生物仿真下颌骨支架。

有人采用rhBMP-胶原和珊瑚羟基磷灰石（CHA）复骨诱导性的骨移植、修复大鼠颅骨缺损，证实了复合人工骨具有良好的骨诱导性和骨传导性，可早期与宿主骨结合，并促进宿主骨长大及新骨形成。

用rhBMP-胶原和珊瑚复合人工骨修复兔下颌骨缺损，结果显示：2个月时，复合人工骨修复缺捐赠的交果优于单纯珊瑚3个月时，与自体骨移植的修复交果无明显差异。

第53卷第8期表面技术2024年4月SURFACE TECHNOLOGY·163·可降解Fe@Fe-Zn骨组织工程支架体外生物相容性研究罗彩云1，王伟强1*，史淑艳1，杨帅康1，许雅南1，朱明2，刘慧颖2（1.大连理工大学，辽宁 大连 116024；2.大连医科大学，辽宁 大连 116044）摘要：目的以多孔铁为基体，利用脉冲电沉积制备可降解多孔Fe@Fe-Zn复合材料骨组织工程支架，以期提高材料的降解速率和抗菌性能。

方法通过调节脉冲频率，得到不同Zn含量的Fe-Zn合金层；使用电子探针、X射线衍射仪、扫描电镜来研究材料的元素含量、相组成和显微结构；通过压缩测试考察支架的力学性能；用体外浸泡来考察材料的降解性能；用浸提液培养分析材料对小鼠胚胎成骨细胞的黏附铺展和细胞活性的影响；用浸提液和直接培养来探究材料的抗大肠杆菌性能。

结果随脉冲频率增加，合金中Zn含量减小；不同合金均为单一的α(Fe)相；电沉积组织致密，杂质含量低；Zn含量为7.5%（均以质量分数计）时，支架抗压屈服强度较多孔铁提升6%；复合材料的降解速率为0.44~0.48 mm/a，较多孔铁有显著改善；复合材料浸提液在稀释到25%（体积分数）时，表现出良好的细胞相容性，且随Zn含量增加，细胞活性增强；Zn含量为7.5%时，材料的抗菌性能最好。

结论通过电沉积制备的Fe@Fe-Zn支架的腐蚀速率相较于多孔铁有明显提高。

随合金层中Zn含量的增加，其细胞活性增强，抗菌性能提高。

Fe@Fe-Zn有望发展为可广泛应用的可降解骨组织工程支架材料。

关键词：骨组织工程支架；多孔铁；Fe-Zn合金；降解性能；生物相容性；抗菌性能中图分类号：TB34文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)08-0163-10DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.08.015In Vitro Biocompatibility of Biodegradable Fe@Fe-Zn BoneTissue Engineering ScaffoldLUO Caiyun1, WANG Weiqiang1*, SHI Shuyan1, YANG Shuaikang1,XU Yanan1, ZHU Ming2, LIU Huiying2(1. Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024, China;2. Dalian Medical University, Liaoning Dalian 116044, China)ABSTRACT: Iron-based alloys are widely studied as biodegradable materials for bone grafts or bone tissue engineering scaffolds, but their slow degradation rate may affect the repair of bone defects, and the material itself may induce local inflammation. To increase the degradation rate of porous pure iron used for bone tissue engineering scaffolds and decrease its susceptibility to inflammation, the alloying method and the electrochemical deposition technique were used to modify the收稿日期：2023-04-02；修订日期：2023-07-14Received：2023-04-02；Revised：2023-07-14基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金（DUT22YG118，LD202219）Fund：The Fundamental Research Funds for the Central Universities of China (DUT22YG118, LD202219)引文格式：罗彩云, 王伟强, 史淑艳, 等. 可降解Fe@Fe-Zn骨组织工程支架体外生物相容性研究[J]. 表面技术, 2024, 53(8): 163-172. LUO Caiyun, WANG Weiqiang, SHI Shuyan, et al. In Vitro Biocompatibility of Biodegradable Fe@Fe-Zn Bone Tissue Engineering Scaffold[J]. Surface Technology, 2024, 53(8): 163-172.*通信作者（Corresponding author）·164·表面技术 2024年4月porous pure iron. The zinc element with good biocompatibility and antibacterial property was adopted as an alloying element. A layer of Fe-Zn alloys was electrodeposited on the surface of the porous pure iron to prepare degradable porous Fe@Fe-Zn composite scaffolds. During electrodeposition, a porous pure iron scaffold with a pore density of 50 PPI and a working size of60 mm × 25 mm × 3 mm was used as the cathode and a pure iron plate with a working area of 100 mm × 47 mm was used as theanode. The working mode of electrodeposition was bipolar pulse electrodeposition. The pulse peak current density was set as 10 A/dm2 with a duty ratio of 10%, and the ratio of pulse changing direction was 20∶5. The pulse frequency of the experimental group was set as 50, 100, and 1 000 Hz, respectively, to prepare different Fe@Fe-Zn composite scaffolds, of which the zinc contents were varied. The element content, phase composition and microstructure of the composite materials were analyzed by electron probe microanalyzer (EPMA), X-ray diffractometer (XRD) and scanning electron microscope (SEM). The mechanical ******************************************************************************************************** investigated by in vitro immersion test. The effects of different materials on the adhesion, spread and cell activity of mouse embryonic osteoblasts (MC3T3-E1) were analyzed by means of extraction culture. Finally, the anti-E.coli properties of different materials were investigated by the extract method and the direct culture method, respectively. The results showed that the Zn content of the deposited alloy layer decreased with the increase of frequency. The Fe-Zn alloys with different Zn contents had a single α(Fe) phase. The prepared Fe-Zn alloy layer was dense and well combined with the porous iron matrix. When the content of Zn in the alloy layer was 7.5% (all in terms of mass fraction), the compressive yield strength of Fe@Fe-Zn was 6% higher than that of porous iron. The results of in vitro immersion test showed that the degradation rate of the Fe@Fe-Zn group was significantly improved than that of the controlled porous iron group (the corrosion rate of Fe@Fe-Zn composites was in the range of 0.44 ~ 0.48 mm/a, and that of porous Fe was 0.33 mm/a). The results of CCK-8 test showed that the cell number increased gradually with the extension of culture time, the cell viability of the Fe@Fe-Zn group was better than that of the porousirongroup,**********************************************************************************%.Fluorescence staining showed that the cell spreading ability of the Fe@Fe-Zn group was better than that of the controlled porous iron group. Regarding antibacterial activity, all the antibacterial rates of the Fe@Fe-Zn group were greater than 50%, and the *******************************************%Zncontentwas(67.0±1.1)%.Inconclusion,comparedwiththeporous pure iron, the comprehensive properties of the porous Fe@Fe-Zn composite prepared by electrodeposition are significantly improved. The corrosion rates of Fe@Fe-Zn composite material scaffolds prepared by electrodeposition are greater than pure iron scaffolds. With the increase of Zn content in the deposited alloy layer, the cell activity of the material is more obvious, and the antibacterial property is gradually improved. The Fe@Fe-Zn composite has great potential as a biodegradable material for bone tissue engineering scaffolds.KEY WORDS: bone tissue engineering scaffold; porous iron; Fe-Zn alloy; degradation property; biocompatibility; antibacterial activity目前，由创伤、感染或肿瘤引起的骨质缺损是骨科临床上常见的疾病之一[1]。

骨组织工程骨组织工程本质上说，就是用一个有利于细胞黏附和保持其功能的支架，在特定的骨诱导因子作用下，与富含骨始祖细胞共同作用。

但是，到今天，能够血管化，具有一定力学强度的能促进骨传导和骨诱导的构造物也仅仅只是理论上的证明。

对细胞功能，细胞外基质形成的了解对我们制备有利于细胞吸附，保持细胞功能的支架是非常重要的。

随着人口老年化问题的突出，一些由疾病或者外伤引起的组织缺损极大的降低了人民的生活质量，在临床上，人工关节的置换在治疗风湿性关节炎，骨关节炎以及骨质疏松症方面取得不错的效果，也极大的提高病人的生活质量，但是由于侵蚀作用，力学性质的改变等也会导致非常严重的后果。

临床上也期望能发展一种能促进骨组织在生的新的治疗方法，即通过骨组织工程来制备一种“活的”，能与周围正常组织相互作用的修补物。

一般用来产生新组织的方法，是通过合适的三维支架在生物反应器内，让从活体组织中取得细胞进行增殖。

一般生物反应器可以通过一个半透膜来进行气体交换，通过旋转来获得微重力环境以及构建组织生长微环境。

另外的一种方法就是将没有接种上细胞的支架放到体内，让周围的细胞向其扩散生长或者在植入几天后将细胞注射到支架上，即将人体作为一种天然的生物反应器。

一般来说，对于骨组织工程来说，一般可以分为六个阶段，1，制造可吸收的支架。

2，在静态的环境下，将成骨细胞或者软骨细胞接种到支架上面。

3，在动态的环境中培养改组织。

4，将成熟的组织在接近生理条件下进行培养，生物反应器。

5，进行手术移植。

6，对移植后的组织工程支架进行观察，是否被肌体同化或者需要重新建立。

临床需求骨折的治疗一直是社会经济学关心的问题，在英国每年在这个方面的发费达9亿英镑，并且随着老年化问题的不断突出，费用在逐步增加。

每年在英国有150，000例由于骨质疏松导致的骨折。

特别是股骨头骨折具有更高的致残率和死亡率，一般来说不到一半的病人在手术后能回家生活。

30%到50%的臀部骨折患者需要再次进行手术效正，同时有很大部分的别人需要进行骨修补。

骨组织工程多孔支架材料性质及支架制备吴景梅* 吴若峰*上海大学材料科学与工程学院高分子化学与物理系(201800)email:wujingmei@摘要：多孔性生物可降解支架的选择和制备是组织工程技术成功运用的关键，本文从骨架的材料要求、常用的骨架材料、骨架的制备技术等几个方面对组织工程和生物降解支架的工作进行了综述，并对该研究的前景进行了展望关键词：组织工程多孔支架生物降解性制备方法1. 引言组织工程是应用生命科学和工程学的原理和方法，在正确认识哺乳动物的正常和病理两种状态下组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科[1—3]。

组织工程学的基本方法是首先分离培养相关的细胞，然后将一定量的细胞种植到具有一定空间结构的三维支架上，再将此细胞支架复合物植入体内或在体外培养，通过细胞之间的粘附、生长繁殖分泌细胞外基质，从而形成具有一定结构和功能的组织或器官[4—6]。

近年来，随着细胞生物学、分子生物学及生物材料学研究的突飞猛进，组织工程作为一门新兴的交叉学科在其研究和应用方面也取得了很大的进展。

目前组织工程研究的领域主要有皮肤组织工程，骨、软骨组织工程，神经、肌腱组织工程等，其中骨组织工程的研究是最活跃的领域之一。

骨组织工程的研究和应用将会克服现有骨缺损修复中自体骨移植来源少、异体骨移植存在排斥反应的问题和不足，预期它将为骨缺损修复带来美好的前景。

但是骨组织工程研究中还存在许多困难，其中理想的细胞外支架材料的选择和制备是骨组织工程研究中急需解决的困难。

2. 组织工程对支架材料的要求理想的骨组织工程支架材料的要求有[7—8]：(1)良好的生物相容性：除满足生物材料的一般要求，如无毒、不致畸之外，还要有利于种子细胞的粘附、增殖，降解产物对细胞无毒害作用，不引起炎症反应，有利于细胞的生长和分化。

（2）良好的生物降解性：支架材料在完成支撑功能后应能降解，降解速率应与骨组织细胞生长速率相适应。

组织工程技术中的支架材料选择与性能评估方法分享随着组织工程技术的发展，支架材料在细胞培养和组织工程中起着至关重要的作用。

支架材料的选择与性能评估是组织工程技术中的关键环节，合理的选择和评估可以提高组织工程产品的生物相容性、力学性能和生物活性。

本文将分享一些支架材料的选择与性能评估方法，希望对组织工程技术的研究者和从业者有所帮助。

首先，支架材料的选择应基于其生物相容性。

生物相容性是衡量一种材料能否与组织或细胞相协调的能力。

一个理想的支架材料应该不会引发明显的异物反应，不会影响细胞的生长和功能，并能支持组织的再生和修补。

一般来说，生物相容性可通过材料的初始化学成分、表面特性和降解速度等因素来评估。

例如，聚己内酯（PCL）和胶原蛋白等生物降解材料常用于骨组织工程，而聚乳酸（PLA）和聚丙内酸（PGA）等生物降解材料则常用于软组织工程。

其次，支架材料的机械性能也是选择的重要考虑因素之一。

机械性能直接影响到支架材料的稳定性和生物力学特性，对组织的修复和再生起着重要的作用。

对于骨组织工程而言，支架材料需要具备足够的刚度和强度，以承担起机械载荷，并提供支持和导向细胞的生长。

而在软组织工程中，弹性模量和柔韧性则是更为关键的指标。

因此，在选择支架材料时，应根据不同的组织和细胞类型，综合考虑机械特性与生物相容性的要求。

除了生物相容性和机械性能外，支架材料的生物活性也需要加以评估。

生物活性是指材料对细胞的影响和调控能力，包括细胞的黏附、增殖和分化等过程。

在骨组织工程中，钙磷陶瓷等生物活性材料能够作为细胞的骨基质，促进骨细胞的附着和骨组织的形成。

在软组织工程中，支架材料的生物活性可以通过引入生物因子、细胞外基质成分和微纳米结构等方式实现。

因此，在支架材料的选择过程中，需要综合考虑生物活性与其他因素的平衡。

总结而言，选择合适的支架材料需要考虑其生物相容性、机械性能和生物活性等因素。

在进行支架材料的性能评估时，可以采用一系列的实验方法和评价指标。

生物材料支架用于组织工程器官再生久负盛名生物材料支架在组织工程领域中久负盛名，其广泛应用于组织工程器官再生。

生物材料支架的使用是一种能够促进病患器官再生的创新方法，可以用于治疗各种疾病和损伤，为患者带来新的希望。

生物材料支架是一种人工制成的结构，可以提供支撑和模板功能，为细胞的生长和组织再生提供适宜的环境。

生物材料支架可以是天然物质（如胶原蛋白、壳聚糖等）或合成物质（如聚乳酸、聚己内酯等），具有良好的生物相容性和生物降解性。

生物材料支架的设计需根据所需组织的特点进行精确调控。

例如，对于骨组织再生，生物材料支架需要具有良好的力学性能、表面的微纳结构以及特定的化学成分，以促进骨细胞的粘附、增殖和分化。

对于心脏组织再生，生物材料支架需要能够模拟心肌组织的机械特性和细胞微环境，以促进心肌细胞的重建和心脏功能的恢复。

生物材料支架用于组织工程器官再生的原理是通过种植或注射方式将其引入患者体内，与周围组织相互作用。

生物材料支架的存在可以为细胞提供支架和定位信号，促进细胞黏附和增殖，同时也提供适宜的微环境，促进细胞的分化和功能发挥。

随着时间的推移，生物材料支架逐渐降解并为新生组织提供所需的空间和结构支持。

生物材料支架的应用领域非常广泛。

在骨组织工程中，生物材料支架已经成功用于治疗骨缺损、骨折和骨肿瘤等疾病，促进骨的再生和修复。

在心血管组织工程中，生物材料支架可以帮助修复和再生受损的心脏组织，恢复心脏功能。

在神经组织工程中，生物材料支架可以用于治疗中枢神经系统和外周神经系统损伤，促进神经再生和功能恢复。

此外，生物材料支架还可以应用于肝脏、肾脏、胰腺等多个器官的再生治疗。

然而，生物材料支架的应用也面临一些挑战和限制。

首先，生物材料支架的选择和设计需要充分考虑不同组织的特性，以确保其能够提供合适的物理、化学和生物学环境。

其次，生物材料支架的降解速度需要与新生组织的生长速度相匹配，以避免过早降解或过度残留。

此外，生物材料支架也需要具备良好的生物相容性和稳定性，以减少对患者的不良反应。

压电支架材料在骨组织工程的应用引言：骨组织工程是一种新兴的医学技术，旨在通过生物材料和细胞工程的应用来修复和再生受损的骨组织。

在这个领域中，压电支架材料是一种备受关注的材料，因为它具有独特的物理和化学性质，可以促进骨组织的生长和修复。

本文将介绍压电支架材料在骨组织工程中的应用。

一、压电支架材料的特性压电支架材料是一种具有压电效应的材料，它可以在外加电场的作用下发生形变。

这种材料具有以下特性：1. 压电效应：压电支架材料可以在外加电场的作用下发生形变，这种形变可以用来刺激骨细胞的生长和分化。

2. 生物相容性：压电支架材料可以与人体组织相容，不会引起免疫反应和排斥反应。

3. 生物活性：压电支架材料可以促进骨细胞的生长和分化，有助于骨组织的修复和再生。

二、压电支架材料在骨组织工程中的应用1. 骨缺损修复：压电支架材料可以用来修复骨缺损，它可以促进骨细胞的生长和分化，加速骨组织的修复和再生。

2. 骨折治疗：压电支架材料可以用来治疗骨折，它可以促进骨细胞的生长和分化，加速骨折的愈合。

3. 骨移植：压电支架材料可以用来辅助骨移植，它可以促进移植骨的生长和修复，提高移植成功率。

三、压电支架材料的发展前景随着骨组织工程技术的不断发展，压电支架材料在这个领域中的应用前景非常广阔。

未来，压电支架材料将会更加智能化和个性化，可以根据患者的具体情况进行定制化设计，提高治疗效果和成功率。

结论：压电支架材料是一种具有独特物理和化学性质的材料，它在骨组织工程中具有广泛的应用前景。

未来，随着技术的不断发展，压电支架材料将会成为骨组织工程领域中的重要材料之一。