可用于组织工程的可持续纳米结构材料小谈

发布时间:

2023-06-08 09:27

文章来源:

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组织工程学(TE)是医疗保健领域中一门新兴的学科,它涵盖了多个领域,如材料化学、生物科学和工程学。组织工程学专注于应对当今全球日益增长的重要议题,即如何应对由受伤、疾病、衰老或其他形式的损伤引起的组织衰竭等问题。

组织工程学的核心理念在于开发人工生物材料或器件,以取代受损组织或促进缺陷部位的组织再生过程。通过这种方式,为人们提供了一种可以有效地恢复和增强人体组织的功能的新途径。

受纳米启发的组织工程

纳米材料已经成为组织工程(TE)应用中的重要组成部分,这是因为它们具有独特的纳米结构形态。原生外细胞基质(ECM)拥有复杂的结构,由蛋白质纤维和纤维编织而成,这些纤维交织在水化的糖胺聚糖链网络中。

这种天然EC支架为原生组织提供了重要的生物物理支持,通过纤维抵抗拉力和水化网络结构抵抗压力应力,具备适当的物理特性。

为了模拟ECM的物理化学特性,组织工程支架被设计成复制这种天然复杂系统。

然而,模仿自然形成的复杂系统,势必会涉及到多个方面,即使是简单地复制结构特征,也会存在众多可能性。这是因为细胞外基质(ECM)在其物理结构上展示了多样性,同时生物环境中存在各种生物分子和组织。

尽管存在这种复杂性,科学家们还是确定了ECM组分之间的一个共同特征,即纳米尺度的物理结构,在组织生成过程中起着关键作用。

举例来说,在典型的结缔组织中,胶原蛋白和弹性蛋白等蛋白质纤维呈现出直径从几十纳米到几百纳米不等的纳米纤维结构。同样地,提供细胞粘附特异性结合位点的粘连蛋白,如纤连蛋白和层粘连蛋白,也具有纳米尺度的物理结构。

这些ECM的形态特征鼓励材料化学家发展基于纳米纤维的支架,用于组织工程应用。这种方法的主要目标是在生物材料和纳米材料的交界面上建立有利的生物物理和生物化学相互作用,以启动组织生成过程。

一般来说,这个领域中较大的材料群体是基于不同生物聚合物、蛋白质和矿物质构建的纳米材料。值得注意的是,纳米尺度的形态学并非评估支架材料的标准;它们还应具备孔隙度、可生物降解性和生物相容性等其他性质。

然而,纳米材料具有积极影响这些性质的潜力,使其成为组织工程应用的潜在候选材料。

毫无疑问,基于纳米的材料在过去几年中为组织工程领域开启了一个新时代。

可持续纳米材料

反观当下,可持续发展也已成为几乎所有领域中备受关注的概念。它的核心理念是通过满足当前需求,同时不危及未来世代满足自身需求的能力。

纳米技术也积极响应这一理念,为实现可持续发展提供了一个平台,并通过多种方式提升其在各个领域的性能。正是基于这些理念,人们发现了许多具有巨大潜力的可持续纳米材料,尤其在医疗保健领域。

当定义其可持续性时,需要牢记它仅仅是一种观念,因此可以从不同的角度来定义纳米材料的可持续性,比如从其来源、性质以及对生物系统的影响等方面考量。在这些可持续纳米材料中,有3种材料在组织工程应用方面具有特别的前景。

 

第一种,多糖基纳米材料。多糖是一种重要的生物聚合物,可以由不同的单糖单元组成同聚物或共聚物。这些生物聚合物可以加工成纳米材料,具有适用于组织工程应用的独特性质。

在自然界中,多糖广泛存在于各种生物体中,包括植物(如纤维素和淀粉)、藻类(如藻酸盐)、微生物(如葡聚糖)和动物(如壳聚糖和透明质酸)。

多糖在其组成、化学结构、分子量和离子特性方面具有多样性。

这种特性的变化决定了多糖的功能、物理化学性质和生物活性。对于组织工程应用而言,线性和长链结构的聚合物特别具有吸引力。通过采用静电纺丝、自组装、相分离、模板合成和拉伸等不同的技术,可以将多糖转化为纳米纤维状形式。

第二种,基于蛋白质的纳米材料。蛋白质与糖蛋白、糖氨基酸和蛋白多糖一起构成细胞外基质(ECM)的重要组成部分。这些组分是赋予组织适当生物物理特性的关键成分。

一般而言,蛋白质成分呈纤维状,能够形成网络结构,为原生组织提供抗剪切力和强度。与此相反,蛋白多糖则提供抗压性。

组织通过特定类型的细胞自身机制产生和分泌这些蛋白质,这一过程推动了细胞的收缩和迁移等机械功能。不同组织的ECM结构与特定细胞之间的相互作用决定了各自的特殊功能。因此,利用基于蛋白质的纳米纤维材料来设计组织工程支架是一种恰当的策略。

第三种,基于矿物质的纳米材料是一类可持续利用的有吸引力的纳米结构,可应用于组织工程。一般来说,矿物质被定义为具有特定和明确的化学组成的天然产物晶体物质。在固溶体情况下,它们可能显示一定的组成范围。

对于固定组成的单一矿物质,其具有一组特定的物理化学性质。在纳米尺度上,矿物质往往遵循这些特性,尽管其范围更广。实际的物理化学性质随着纳米材料尺寸的变化而变化,并且在很大程度上取决于形态特征。

因此,通过控制其形态参数,可以调节这些纳米材料的各种性质,从而有利于设计具有所需特性的纳米支架。

需要指出的是,与基于生物聚合物或生物蛋白质的纳米纤维材料不同,矿物质纳米材料与细胞外基质的结构没有结构上的相似性。这是因为大多数纳米材料并非来源于生物(动物、微生物或植物)。然而,它们仍具有非常独特的生物学性质,适用于组织工程。

 

除了这3种受到瞩目的应用方向以外,还有其他不同种类的有机、无机纳米结构在组织工程中得到了应用。这些纳米材料主要是在实验室中通过使用化学品、试剂和专门的合成技术进行人工合成的。

尽管这些纳米材料并非来自生物源,但它们在组织工程应用中也展现出了巨大的潜力,并已进入医疗产品市场。

举例来说,基于铂的纳米材料和纳米混合物已广泛用于与骨骼和牙齿组织相关的治疗。此外,过去几年中,银、石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管和碳点等多种纳米材料也得到了广泛研究。

根据可持续性的定义,大多数这些纳米材料不能被认定为可持续材料。然而,当前纳米材料研究的趋势是将一定程度的可持续性融入到这些纳米结构中。从合成和加工到纳米材料的应用,已经采用了多种不同的方法。

一个典型的例子是在纳米材料的合成过程中利用基于生物的原材料和试剂。

例如,富含多酚的植物提取物被用作优良的还原剂,在合成各种金属纳米颗粒时得到应用。通过使用茶、椰子等其他天然来源的提取物,已成功制备出具有低毒性和改善生物相容性的绿色银纳米颗粒。

这些绿色银纳米颗粒表现出强烈的抗菌活性。植物提取物还被用于成功合成金、钯、金-银合金、铁镍合金、氧化铁和氧化锌等金属纳米颗粒。

在碳纳米材料领域,基于石墨烯的纳米材料(如氧化石墨烯和还原氧化石墨烯)在组织工程应用中发挥着重要作用,因为它们具有高纵横比、细胞黏附能力和力学强度。

一般情况下,氧化石墨烯是通过氧化剥离方法从石墨烯中获得的,传统方法涉及使用强矿酸和氧化剂等有害化学品,这引起了试剂来源的毒性问题。

然而,一种更可持续的替代方法是采用电化学剥离法,直接从大块石墨中获得石墨烯片层,无需使用有害化学品,同时具有优越的材料性能。在将氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯的过程中,各种植物提取物已被用作替代传统还原剂,例如NaBH4。

另一类新兴的零维碳纳米结构是碳点。这些纳米材料具有良好的特性,如水溶性、无毒性和低成本,因此在各种生物医学应用中备受关注。

据报道,在将碳点纳入聚合物纳米复合材料中时,可以促进成骨细胞的黏附、增殖和分化。它们还可以作为生长因子在组织再生中的载体。使用各种可再生资源作为原料,特别是富含碳水化合物的来源,可以可持续地合成碳点。

合成过程也非常简单,例如通过加热、水热方法或超声处理等方法。

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