当前位置 : X-MOL首页行业资讯 › Nano Res.[生物]│中国科学技术大学俞书宏课题组:可调控细胞行为的仿生碳酸钙-磷酸钙复合膜的研究

Nano Res.[生物]│中国科学技术大学俞书宏课题组:可调控细胞行为的仿生碳酸钙-磷酸钙复合膜的研究

本篇文章版权为俞书宏课题组所有,未经授权禁止转载。

QQ20241223-105338.png


背景介绍


骨修复材料对于不能自发修复的临界尺寸骨缺损的快速修复至关重要,然而目前开发出的各种修复材料很难满足理想骨修复材料的全部要求。其中,矿物基复合材料由于其与天然骨相似的成分,一直被认为是骨再生最有希望的候选材料之一。由于矿物成分、物相等对矿物基材料的体内性能有很大影响,因此有必要系统地评估碳酸钙及其与磷酸钙复合材料在骨再生中的应用潜力。


成果简介


近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队报道了通过在几丁质上矿化磷酸钙和碳酸钙制备五种不同的矿物基复合膜,这些薄膜由与这两种化合物相关的不同矿物相组成。对比研究了这些膜的理化性质,如表面粗糙度、模量、硬度、降解率等对骨再生材料性能的影响。证明了材料之间存在不可忽略的差异,表明这些复合材料的理化性质可以根据临床需要进行调整。此外,详细的细胞实验表明,尽管所有膜都具有良好的生物相容性,但这些膜的成骨分化特征各不相同。值得注意的是,文石组(碳酸钙的结晶相)和结晶磷酸钙组的成骨基因表达最高,这表明了碳酸钙在骨修复材料中使用的可能性。相关成果以“Biomimetic Calcium Carbonate-Calcium Phosphate Composite Films with Tunable Cytological Behaviors”为题发表在国际期刊Nano Research上。论文第一作者为博士研究生杨玉露,通讯作者为中科大俞书宏院士、茅瓅波副研究员以及中科大附属第一医院张文志教授。


图文导读


QQ20250111-062516.png

图1:五种矿物基复合膜的形貌及晶相表征。(i) 表面, (ii) 截面, (iii) 晶体学特征: (a) Ara; (b) Ara-Cal; (c) ACP; (d) CCP; (e) Ara-CCP。
研究人员通过调控矿化溶液,使壳聚糖薄膜被矿化,得到五种不同的矿物基薄膜,通过SEM及HRTEM对其形貌和晶相进行了表征,如图1所示。并通过拉曼、红外、热重、XRD等多种表征对薄膜的理化性质进行分析。

image.png

图2:五种矿物基复合膜的微观表面粗糙度及力学性能。(a-e) 材料的微观表面形貌;(f)每个图中沿虚线的表面粗糙度;(g)由(f)得出的高度分布;(h)每个样品基于纳米压痕的载荷-位移曲线;(i)根据纳米压痕数据计算样品的硬度和模量。

对这五种薄膜进行了微尺度的表面分析,结果表明Ara-CCP膜表面相对粗糙。纳米压痕结果显示几组材料具有可调的力学性能,其中CCP样品的硬度和模量最高,而Ara-Cal样品的硬度和模量最低,如图2。说明了由碳酸钙掺入引起的微观粗糙度的变化,可调的硬度和模量以及相控矿化可能赋予矿物基材料新的骨修复潜力。

image.png

图3:(a-c) MC3T3-E1细胞与不同材料共培养24小时,48小时,72小时的细胞活力;(d-h)与(d) Ara、(e) Ara-Cal、(f) ACP、(g) CCP、(h) Ara-CCP共培养72 h细胞的活/死染色。

image.png

图4:成骨诱导21天后,不同材料共培养的MC3T3-E1细胞ALP染色(上)和茜素红染色(下)。

对五种材料进行了不同时间的细胞活力测试及活死染色,如图2,可以看出材料细胞活力较好,几乎无死细胞,说明材料具有良好的细胞相容性。ALP染色和茜素红染色(图4)则表明了材料具有较好的成骨诱导能力,其中Ara样品和CCP样品最好。本文还通过RT-qPCR对成骨相关基因的表达进一步测试,同样说明了材料对成骨基因表达的促进,Ara样品和CCP样品尤为明显。
综上所述,本文报道了通过仿生矿化法制备了五种组分和相可控的碳酸钙-磷酸钙复合膜。这些薄膜具有不同的表面形貌和力学性能。碳酸钙的掺入不影响材料的高生物相容性;相反,碳酸钙可以有效地改变材料的降解动力学和骨诱导性。由于碳酸钙具有许多结晶和非晶相,本研究结果为设计矿物基骨移植物提供了新的可能性,期望本文的发现能够促进定制骨修复材料的发展。
该工作受到中国科学院战略先导项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、新基石研究者计划等项目资助。


作者简介


俞书宏,中国科学技术大学化学系教授、博士生导师,中国科学院院士。长期从事无机材料的仿生合成与功能化的研究。在聚合物和有机小分子模板对纳米结构单元的尺寸和维度及取向生长的调控规律、仿生多尺度复杂结构材料的合成及构效关系研究方面取得多项创新成果。近年来,在面向应用的重要纳米结构单元的宏量制备、宏观尺度纳米组装体的制备与功能化、新型纳米材料的合成设计及能源转换材料等方面的研究取得了重要进展。

E-mail:shyu@ustc.edu.cn

课题组主页:http://staff.ustc.edu.cn/~yulab/


文章信息


Yang Y-L, Guo X-W, Meng Y-F, et al. Biomimetic calcium carbonate-calcium phosphate composite films with tunable cytological behaviors. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907055. 



QQ截图20240703101719.jpg

如果篇首注明了授权来源,任何转载需获得来源方的许可!如果篇首未特别注明出处,本文版权属于 X-MOLx-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!

阿拉丁
老年学Q1区期刊征稿进行中
FEMS Journals历年主题
分享您的投稿习惯
经济学SSCI期刊
英语语言编辑翻译加编辑新
加速出版服务新
1212购书送好礼
Springer旗下全新催化方向高质新刊
动物学生物学
系统生物学合成生物学
专注于基础生命科学与临床研究的交叉领域
传播分子、细胞和发育生物学领域的重大发现
聚焦分子细胞和生物体生物学
图书出版流程
快速找到合适的投稿机会
热点论文一站获取
定位全球科研英才
中国图象图形学学会合作刊
复旦大学
福州
德国
浙江大学
中国医科院
南开
亚琛
中国科技大学
上海交大
中科大
ACS材料视界
down
wechat
bug