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科普文章《Theranostics》：用于軟骨/骨軟骨修復(fù)的絲素蛋白基生物材料研究
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目前軟骨修復(fù)的治療策略包括微骨折(骨髓刺激)、自體軟骨細(xì)胞移植、異體/自體軟骨移植，雖然這些治療策略在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用，但仍存在一些不足。例如，微骨折常導(dǎo)致纖維軟骨的形成。此外，異體/自體軟骨移植的應(yīng)用還受到供體短缺、整合性差、手術(shù)感染等因素的限制。近年來，組織工程已成為修復(fù)受損組織，如皮膚、心臟和骨骼的一種有前途的策略。絲素蛋白是一種天然的蛋白質(zhì)材料，在臨床上的應(yīng)用已有幾十年的歷史。與合成材料和天然材料相比，絲素蛋白具有優(yōu)異的韌性、生物相容性、生物降解性和熱穩(wěn)定性。此外，絲素蛋白還能顯著促進(jìn)骨和軟骨再生�；诖耍z素蛋白基生物材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是組織工程領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。 近日，上海大學(xué)ziyang zhou, jin cui等學(xué)者就近10年來絲素蛋白基生物材料在軟骨/骨軟骨修復(fù)中的研究進(jìn)行綜述，為設(shè)計和制備絲素蛋白基生物材料用于軟骨/骨軟骨修復(fù)提供理論依據(jù)。文章以“silk fibroin-based biomaterials for cartilage/osteochondral repair”為題在線發(fā)表在《theranostics》上。 絲素蛋白：來源、成分、結(jié)構(gòu)和特性 絲素蛋白是蠶絲經(jīng)過脫膠、漂洗、干燥等工序處理獲得。絲素蛋白分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由二硫鍵連接的輕鏈(分子量26kda)和重鏈(分子量390kda)組成，如圖2所示。絲素蛋白具有比其他天然材料和合成材料更好的力學(xué)性能(最大斷裂伸長率為4%，極限楊氏模量為26%，極限楊氏模量為300-700mpa)。此外，絲素蛋白的力學(xué)性能可以通過改變晶體和非晶結(jié)構(gòu)的大小、數(shù)量、取向和排列來調(diào)節(jié)。其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)使其具有良好的生物相容性和生物降解性。絲素蛋白的降解產(chǎn)物(主要是氨基酸和多肽)不僅沒有細(xì)胞毒性，而且可以為組織再生提供營養(yǎng)。這使得絲素蛋白具有良好的臨床應(yīng)用前景。事實(shí)上，絲素蛋白制備的外科縫合線和傷口敷料已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前絲素蛋白在軟骨/骨軟骨修復(fù)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。 關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨 關(guān)節(jié)軟骨是一個多層組織，包括透明軟骨層和鈣化軟骨層。軟骨下骨在關(guān)節(jié)軟骨正下方脫位。透明軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨形成了具有不同成分、結(jié)構(gòu)和特性的巨大復(fù)合體。在設(shè)計用于軟骨/骨軟骨修復(fù)的絲素蛋白基生物材料時，應(yīng)考慮透明軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨的特征。對于軟骨層，只有一種軟骨細(xì)胞呈梯度分布。一方面，對絲素蛋白基生物材料進(jìn)行修飾，以促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖和分化，另一方面，絲素蛋白基生物材料應(yīng)被賦予梯度結(jié)構(gòu)，以保證軟骨細(xì)胞的梯度分布(類似于原代軟骨)。對于鈣化軟骨層，絲素蛋白基生物材料應(yīng)設(shè)計成致密結(jié)構(gòu)。致密的結(jié)構(gòu)可以阻止血管生成細(xì)胞從軟骨下骨層向軟骨層遷移，避免軟骨層纖維化。對于軟骨下層，添加金屬離子可增強(qiáng)絲素蛋白基生物材料的生物礦化和抗菌能力。 絲素蛋白基生物材料的制備方法 （1）3d生物打印 3d生物打印是一種可控的快速成型和增材制造技術(shù)，允許個性化調(diào)整尺寸參數(shù)，并通過計算機(jī)輔助逐層打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物材料。 （2）靜電紡絲法 靜電紡絲能夠生產(chǎn)出直徑更小、表面積體積比更高的長纖維。由于靜電紡絲技術(shù)的高度可控性，可以制備大孔徑的絲素蛋白基支架。 （3）凍干法 凍干法是制備生物材料的一種靈活、可控的技術(shù)，可以調(diào)節(jié)生物材料的孔徑，具有工藝適應(yīng)性強(qiáng)、造孔能力強(qiáng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。 （4）鹽分浸析法 鹽分浸析法通過在絲素蛋白溶液中加入鹽顆粒誘導(dǎo)絲素蛋白聚集。通過去除未溶解的鹽顆粒，可以獲得多孔的絲素蛋白生物材料。 （5）交聯(lián)法 絲素蛋白具有優(yōu)良的交聯(lián)性能，制備絲素蛋白基水凝膠常用的交聯(lián)方法包括酶交聯(lián)、添加交聯(lián)劑、光交聯(lián)和超聲法等。 絲素蛋白基生物材料的種類 （1）水凝膠 水凝膠是通過物理或化學(xué)交聯(lián)形成的親水性三維網(wǎng)狀高分子材料，具有良好的生物相容性。據(jù)報道，水凝膠的力學(xué)性能、形狀和膨脹性能會隨著溫度、ph值和離子濃度等外部條件的變化而發(fā)生變化。基于這一特性設(shè)計的環(huán)境響應(yīng)型水凝膠可以實(shí)現(xiàn)軟骨和骨軟骨藥物的智能釋放。例如，xu等人以sf和cs為原料，以1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺/ n -羥基琥珀酰亞胺交聯(lián)劑制備了一系列刺激響應(yīng)型復(fù)合水凝膠。在不同的ph和離子濃度下，水凝膠的溶脹特性表現(xiàn)為刺激反應(yīng)。這表明水凝膠具有很強(qiáng)的可塑性。重要的是，水凝膠的可注射性在組織工程中是非常實(shí)用的。這一特性使得水凝膠能夠緊密貼合軟骨缺損的界面，從而提升整合效果。 （2）支架 支架是三維多孔基質(zhì)，通過提供特定的微環(huán)境來促進(jìn)軟骨/骨軟骨的修復(fù)和再生。支架可以設(shè)計成不同的三維形狀，以適應(yīng)軟骨/骨軟骨的缺口。例如，gao等人成功制備了多孔脫細(xì)胞軟骨基質(zhì)/絲素(dcm/sf)支架，體外和體內(nèi)實(shí)驗均證實(shí)dcm/sf支架支持骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞軟骨再生。 （3）微載體 微載體通常是指適合細(xì)胞培養(yǎng)、生長和運(yùn)輸?shù)男∏蛐沃Ъ�，具有高比表面積(促進(jìn)細(xì)胞生長和維持細(xì)胞分化表型)和可注射性(通過直接注射到靶部位實(shí)現(xiàn)組織再生)。 綜上所述，絲素蛋白基生物材料在軟骨/骨軟骨修復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛的研究。未來，研究人員應(yīng)開發(fā)適合養(yǎng)蠶的專用機(jī)械設(shè)備，并促進(jìn)設(shè)備機(jī)械化，以降低絲素蛋白基生物材料的生產(chǎn)成本。同時，還需要對絲素蛋白基生物材料的制備工藝進(jìn)行改進(jìn)，在各種制備方法和功能修飾的幫助下，絲素蛋白基生物材料將更加多樣化和智能化，生物材料結(jié)合第四維“時間”從3d生物材料轉(zhuǎn)變?yōu)?d生物材料也是更重要的研究方向。隨著軟骨/骨軟骨修復(fù)過程的進(jìn)展，4d 絲素蛋白基生物材料可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以保證軟骨/骨軟骨的治療性修復(fù)。我們相信絲素蛋白基生物材料在軟骨/骨軟骨修復(fù)方面具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。 .doi: 10.7150/thno.74548 浙江星月生物科技股份有限公司 發(fā)自小木蟲IOS客戶端 |
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