基于纳米纺织技术和电流驱动矿化构建纳米仿生骨的研究

Bone substitute materials with a composite, structure and properties similar to bone is very important for clinical hard tissue repair and reconstruction, however, bone formation is a complex biological mineralization process involved in cell regulation. It is difficult to fabricate a massive bone-like material in vitro with the hierarchical porous structure composed of the oriented mineralized nanofiber bundles. This project explores the new program of constructing biomimetic nano-bone materials based 3-D multi-layer nanofiber fabric templates, using the method of current-driven ion mineralization. We analyze the problems of nanofiber template, hierarchical porous structure and bionic mineralization in the design of bone biomimetic materials from new perspective, and proposed new ideas to constructed nano-bionic bone combining nano-textile technology and current-driven mineralization. Electrospun nanofibers are co-spun into yarn and then fabricated into 3-D multi-layer nanofiber fabrics as the mineralization template by nano-textile technology. Nano-bionic bones with the hierarchical porous structure are constructed by current controlled ion transport in the regulation of water-soluble polymer, which simulates the mineralization in vivo regulated by matrix vesicles. We will focus on current-driven biomimetic mineralization mechanism, structural features and mechanical model of the nano-bionic bone in different scales, and the effect of material structure on the biological properties. The project will provide a new ideas and a theoretical and practical basis for designing bone biomimetic materials.

结构、组成和功能仿生的骨替代材料对临床硬组织修复和重建非常重要，然而，骨的形成是一个由细胞参与调控的复杂的生物矿化过程，在体外难以构建由取向的矿化纳米纤维束构成分级多孔结构的大块类骨材料。本项目以三维多层纳米纤维织物作为模板，采用电流驱动离子矿化的方法，探索构建纳米骨仿生材料的新方案。我们以新的视角剖析骨仿生设计中遇到纳米纤维模板、多孔分级结构、仿生矿化等问题，提出利用纳米纺织技术和电流驱动矿化相结合构建纳米仿生骨的新思路。利用纳米纺织技术将静电纺纳米纤维混纺成纱，再构建三维多层纳米纤维织物作为矿化模板，在水溶性聚合物的调控下，通过电流控制离子的输送，仿生生物体内基质小泡调控的矿化，构建多孔分级纳米仿生骨。重点研究电流驱动离子的仿生矿化机理、纳米仿生骨在不同尺度的结构特征和力学模型、材料结构对生物学性能的影响。本项目将为骨仿生材料的设计提供新的理念及理论和实践基础。

本项目自主设计了多喷头喷气静电纺制备纳米纤维纱的装置，制备了连续的聚乳酸/柞蚕丝素（PLA/TSF）与水溶性聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）纳米纤维混纺纱线。利用纺织技术加工成三维多层的纳米纤维织物。以溶出可溶性PVP成分的三维纳米纤维织物为模板，在水溶性聚合物的调控下，通过电流控制离子的输送，构建多孔分级纳米骨仿生材料。表征纳米仿生骨在不同尺度的结构特征；探讨纳米仿生骨的结构对力学和生物学性能影响，获得良好力学性能、生物相容性和生物活性的骨替代材料，以满足临床骨组织修复的需要。研究表明，在纺纱电压为34 kV，通气速度为1200 mL/min，通液速度为32 mL/h的条件下，纳米纤维可稳定集聚和连续成纱，所制备的纳米纤维纱的平均直径约为400 μm，产量为3.141 g/h左右，纳米纤维的平均直径约为320 nm；通过改变离子浓度，电流强度，矿化时间调控矿物在三维多层纳米纤维织物模板上的生长，当电流强度1 A为，电驱动矿化12 min，离子浓度为0.5 mol/L时，球状矿物羟基磷灰石（HAP）均匀地生长在纳米纤维表面，矿物含量约占64.6%，这与天然骨中矿物含量极为相似；电流驱动矿化构建的纳米仿生骨材料显示了一个与天然骨结构相似的分级结构，依次为矿化纤维、纱线、单层织物、多层织物，这种分级有序的结构有助于改善支架的力学性能，压缩模量和压缩强度几乎分别是矿化的无纺纤维毡的3倍和2倍。对于三维多层纳米纤维织物模板，10 wt %TSF的添加能够显著促进人骨髓间充质干细胞的增殖，伸展和粘附，而通过电驱动矿化构建的骨仿生复合材料显示更为突出的支持细胞的增殖能力，成骨分化能力以及成骨诱导性。体内植入实验表明，以三维多层纳米纤维织物为模板的仿生骨能显著地诱导生物体内新骨的再生。本项目提供的构建纳米仿生骨的思路和方法在骨组织工程中具有良好的应用前景。