天然骨组织由有机纳米材料胶原纤维和无机纳米材料羟基磷灰石组成, 具有独特的微纳米结构以及传统人工合成材料无法比拟的生物功能和力学性能优势。在组织工程和再生医学的研究中, 模拟天然骨组织层次特征的微纳米结构生物材料是研究热点之一。近年来, 研究人员发现微纳米结构生物材料能有效调节细胞增殖、分化和迁移, 促进细胞成骨分化, 进而促进体内骨组织再生。本文综述了利用天然骨组织层次特征指导材料分层设计的研究进展以及微纳米结构生物材料的细胞相互作用特性和在骨组织工程中的应用, 以期为生物材料的设计提供新思路。

本研究旨在研究羟基磷灰石(HA)前驱粉体与所制备陶瓷之间的关系, 制备具有优良力学性能及成骨活性的HA纳米陶瓷。采用三种HA前驱粉体, 即40 ℃合成的HA-40粉体、以PEG为模板40 ℃合成的HA-40PEG粉体和80 ℃合成的HA-80粉体, 系统研究了前驱粉体对陶瓷性能的影响。结果显示, HA-40、HA-40PEG和HA-80粉体制备的陶瓷晶粒尺寸分别为(217.87±57.53)、(123.22±20.16)和(316.65±68.91) nm, 表明HA-40PEG有利于HA纳米陶瓷的制备。烧结得到的HA-40PEG纳米晶陶瓷表现出良好的力学性能, 与另外两种亚微米晶陶瓷(HA-40和HA-80)相比, 其抗压强度更高(~300 MPa)。细胞研究结果显示, HA-40PEG比HA-40和HA-80更能促进MC3T3-E1前成骨细胞的铺展和增殖。由此可知, 前驱粉体合成是影响HA陶瓷性能的关键因素, 纳米晶构建有利于同时提高其力学性能和生物学性能。

羟基磷灰石(HAP)具有优异的生物相容性、生物活性和缓慢的降解速率等特性, 有可能弥补透明质酸(HA)用作软组织填充材料的不足。本研究采用一步反应法制备均匀负载HAP颗粒的HA-HAP复合水凝胶, 分析了制备工艺参数对复合水凝胶理化性能的影响及调控方法, 评价了其细胞相容性。结果表明, 采用该方法制备的复合水凝胶含1.5%~3.0%HA、2.38%~15.8% HAP, 具有良好的灭菌稳定性。通过改变HAP含量和交联剂的用量可以调控复合水凝胶的力学性能、溶胀行为等理化性能。利用一阶指数衰减方程可以较好地拟合复合水凝胶的溶胀行为, 质量溶胀率在1 h时已达到平衡溶胀率的90%以上。复合水凝胶具有良好的HA酶降解性, 1500 U/mL的酶作用2 min后HA降解率超过95%, 复合水凝胶可以快速溃散; 加入HAP颗粒不仅使复合水凝胶有更好的可塑性, 而且更有利于面部软组织填充和轮廓修正。优化制备的可注射HA-HAP复合水凝胶具有可调的理化性能和良好的细胞相容性, 可以较长时间地保留在体内, 兼具促进组织修复或重建的潜力, 有望成为优良的软组织填充材料。