美國賓州州立大學楊健教授和南方醫科大學郭金山教授《AFM》:檸檬酸基單寧橋連的復合骨材料促進腰椎骨融合

天然骨由60-65wt%的無機成分(主要為羥基磷灰石hydroxyapatiteHA))鑲嵌在膠原(有機成分)中組成,因此,有機/無機復合材料被廣泛用作仿生人工骨支架。然而,傳統的有機/無機復合材料由於有機相與無機相相容性差,易導致相分離,機械性能降低,以及骨整合和骨再生效果差。通過在HA表面接枝一定量的有機聚合物(如聚乳酸(PLA)、聚氨基酸)能改善有機相和無機相的相容性。然而,這些表面修飾策略很大程度上受到無機粒子表面特性的限制且通常需要對無機物進行必要的預處理。開發一種普適的連接無機粒子和有機聚合物的策略具有十分重要的科學意義和實際應用價值。

美國賓州州立大學楊健教授和南方醫科大學郭金山教授《AFM》:檸檬酸基單寧橋連的復合骨材料促進腰椎骨融合
圖1. 單寧和銀納米粒子改性的HA及其與檸檬酸基聚合物的化學反應

貽貝(mussel)或單寧(tannin)啟發的黏附策略中所采用的兒茶酚(catechol)或沒食子酸(gallol)基團不但能在氧化或堿性條件下通過形成共價鍵強力黏附在生物組織表面,還能通過表面連接、氫鍵等強力黏附在無機物表面,使其成為理想的有機物和無機物間的“橋連”分子。通過簡便、高效的表面改性過程,單寧能被強力黏附在無機相(HA)表面(銀納米粒子也能同時原位生成並被固定在表面),並通過化學反應與有機相(檸檬酸基聚合物)形成共價鍵結合(圖1),打破瞭有機和無機相間的界面,能更好地模擬天然骨的結構,極大地提高瞭復合物的壓縮強度(最高達325 MPa),超過瞭人體皮質骨的強度(100-230 MPa)。所開發的檸檬酸基單寧橋連的有機/無機復合骨科材料(citrate-based tannin-bridged bone composite, CTBC)還充分展現瞭檸檬酸基聚合物和單寧及銀納米顆粒的生物活性,具有抗菌性、促進生物礦化、促進細胞粘附生長,以及骨傳導和促骨誘導活性(圖2)。動物實驗結果進一步驗證瞭CTBC相對於POC-HA和空白對照促進腰椎融合的效果(圖3)。固定在CTBC表面的多官能度的單寧還保留瞭表面生物鍵合位點,可用來進一步提高其生物活性。

美國賓州州立大學楊健教授和南方醫科大學郭金山教授《AFM》:檸檬酸基單寧橋連的復合骨材料促進腰椎骨融合
圖2. 檸檬酸基單寧橋連的有機/無機復合骨科材料
美國賓州州立大學楊健教授和南方醫科大學郭金山教授《AFM》:檸檬酸基單寧橋連的復合骨材料促進腰椎骨融合
圖3. 腰椎骨融合實驗和骨密度結果

以上研究成果近期以Citrate-based tannin-bridged bone composites for lumbar fusion為題發表於Advanced Functional Materials (2020, DOI: 10.1002/adfm.202002438)。論文的第一作者為南方醫科大學郭金山教授。南方醫科大學第三附屬醫院謝登輝副教授、西南醫科大學田興貴為共同第一作者。賓州州立大學楊健教授為通訊作者,南方醫科大學白曉春教授盧智慧副研究員為共同通訊作者。

楊健教授簡介

楊健,博士,賓州州立大學生物醫學工程學院教授,勞埃德和多羅夕福爾哈克再生工程講席教授(Lloyd & Dorothy Foehr Huck Chair in Regenerative Engineering)。楊健教授的研究集中在檸檬酸基生物材料的創新研究及其在組織工程、藥物遞送、生物傳感和生物成像中的應用。曾獲2010年美國國傢科學基金會早期職業獎(NSF CAREER Award),2016年當選美國醫學與生物工程研究所(AIMBE)會士,2018年當選美國國傢發明傢科學院(National Academy of Inventors (NAI))院士。至今,發表期刊論文及書刊章節130餘篇,擁有多項中國、美國和國際專利,成功實現成果轉化並創辦醫療器械公司。楊健教授還擔任《Bioactive Materials》共同主編和《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》副主編。

更多信息請訪問:

https://www.bme.psu.edu/labs/Yang-lab

白曉春教授簡介

白曉春,博士,南方醫科大學基礎醫學院院長,細胞生物學教研室教授。教育部“長江學者”特聘教授,國傢傑出青年基金獲得者,“萬人計劃”科技創新領軍人才,入選國傢百千萬人才工程,主要從事骨與關節退行病變的機制、骨與軟骨組織損傷修復研究,任廣東省骨與關節退行性疾病重點實驗室主任,近5年承擔國傢自然科學基金重大項目、重點項目、傑青等項目12項,獲國傢科技進步二等獎、雲南省科技進步一等獎、廣東省科技進步二等獎和廣州市科技進步一等獎各1項,在Science、J. Cell Biol.、Blood、PNAS、Ann. Rheum. Dis.、Adv. Sci.、Nat. Commun.、PLOS Genet、J. Bone Miner. Res.等期刊上發表論文90餘篇,他引3000多次,並多次被F1000推薦和國傢基金委網站報道。

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http://portal.smu.edu.cn/jcyxy/info/1080/1737.htm

郭金山教授簡介

郭金山,博士畢業於中國科學院長春應用化學研究所(導師:黃宇彬、景遐斌、陳學思(中科院院士))。博士畢業後赴美,先後在得州大學阿靈頓分校、賓州州立大學(合作導師:楊健教授)和哈佛大學(合作導師:Juan Perez-Mercader)從事博士後研究。2019年6月以第三層次人才入職南方醫科大學基礎醫學院,任教授、博士生導師。研究方向集中在生物醫用高分子在軟、硬組織工程材料中的應用,包括生物醫用膠黏劑和傷口敷料以及生物活性骨科材料。至今,在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials等期刊發表論文30餘篇,英文專著章節2章,有多項中國、美國和國際專利。課題組誠招博士後和研究助理,歡迎來函來電咨詢: jsguo4127@smu.edu.cn, 020-61648222, QQ (wechat): 123332035。

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