美国宾州州立大学杨健教授和南方医科大学郭金山教授《AFM》:柠檬酸基单宁桥连的复合骨材料促进腰椎骨融合

天然骨由60-65wt%的无机成分(主要为羟基磷灰石hydroxyapatiteHA))镶嵌在胶原(有机成分)中组成,因此,有机/无机复合材料被广泛用作仿生人工骨支架。然而,传统的有机/无机复合材料由于有机相与无机相相容性差,易导致相分离,机械性能降低,以及骨整合和骨再生效果差。通过在HA表面接枝一定量的有机聚合物(如聚乳酸(PLA)、聚氨基酸)能改善有机相和无机相的相容性。然而,这些表面修饰策略很大程度上受到无机粒子表面特性的限制且通常需要对无机物进行必要的预处理。开发一种普适的连接无机粒子和有机聚合物的策略具有十分重要的科学意义和实际应用价值。

美国宾州州立大学杨健教授和南方医科大学郭金山教授《AFM》:柠檬酸基单宁桥连的复合骨材料促进腰椎骨融合
图1. 单宁和银纳米粒子改性的HA及其与柠檬酸基聚合物的化学反应

贻贝(mussel)或单宁(tannin)启发的黏附策略中所采用的儿茶酚(catechol)或没食子酸(gallol)基团不但能在氧化或碱性条件下通过形成共价键强力黏附在生物组织表面,还能通过表面连接、氢键等强力黏附在无机物表面,使其成为理想的有机物和无机物间的“桥连”分子。通过简便、高效的表面改性过程,单宁能被强力黏附在无机相(HA)表面(银纳米粒子也能同时原位生成并被固定在表面),并通过化学反应与有机相(柠檬酸基聚合物)形成共价键结合(图1),打破了有机和无机相间的界面,能更好地模拟天然骨的结构,极大地提高了复合物的压缩强度(最高达325 MPa),超过了人体皮质骨的强度(100-230 MPa)。所开发的柠檬酸基单宁桥连的有机/无机复合骨科材料(citrate-based tannin-bridged bone composite, CTBC)还充分展现了柠檬酸基聚合物和单宁及银纳米颗粒的生物活性,具有抗菌性、促进生物矿化、促进细胞粘附生长,以及骨传导和促骨诱导活性(图2)。动物实验结果进一步验证了CTBC相对于POC-HA和空白对照促进腰椎融合的效果(图3)。固定在CTBC表面的多官能度的单宁还保留了表面生物键合位点,可用来进一步提高其生物活性。

美国宾州州立大学杨健教授和南方医科大学郭金山教授《AFM》:柠檬酸基单宁桥连的复合骨材料促进腰椎骨融合
图2. 柠檬酸基单宁桥连的有机/无机复合骨科材料
美国宾州州立大学杨健教授和南方医科大学郭金山教授《AFM》:柠檬酸基单宁桥连的复合骨材料促进腰椎骨融合
图3. 腰椎骨融合实验和骨密度结果

以上研究成果近期以Citrate-based tannin-bridged bone composites for lumbar fusion为题发表于Advanced Functional Materials (2020, DOI: 10.1002/adfm.202002438)。论文的第一作者为南方医科大学郭金山教授。南方医科大学第三附属医院谢登辉副教授、西南医科大学田兴贵为共同第一作者。宾州州立大学杨健教授为通讯作者,南方医科大学白晓春教授卢智慧副研究员为共同通讯作者。

 

杨健教授简介

杨健,博士,宾州州立大学生物医学工程学院教授,劳埃德和多罗夕福尔哈克再生工程讲席教授(Lloyd & Dorothy Foehr Huck Chair in Regenerative Engineering)。杨健教授的研究集中在柠檬酸基生物材料的创新研究及其在组织工程、药物递送、生物传感和生物成像中的应用。曾获2010年美国国家科学基金会早期职业奖(NSF CAREER Award),2016年当选美国医学与生物工程研究所(AIMBE)会士,2018年当选美国国家发明家科学院(National Academy of Inventors (NAI))院士。至今,发表期刊论文及书刊章节130余篇,拥有多项中国、美国和国际专利,成功实现成果转化并创办医疗器械公司。杨健教授还担任《Bioactive Materials》共同主编和《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》副主编。

更多信息请访问:

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

 

白晓春教授简介

白晓春,博士,南方医科大学基础医学院院长,细胞生物学教研室教授。教育部“长江学者”特聘教授,国家杰出青年基金获得者,“万人计划”科技创新领军人才,入选国家百千万人才工程,主要从事骨与关节退行病变的机制、骨与软骨组织损伤修复研究,任广东省骨与关节退行性疾病重点实验室主任,近5年承担国家自然科学基金重大项目、重点项目、杰青等项目12项,获国家科技进步二等奖、云南省科技进步一等奖、广东省科技进步二等奖和广州市科技进步一等奖各1项,在Science、J. Cell Biol.、Blood、PNAS、Ann. Rheum. Dis.、Adv. Sci.、Nat. Commun.、PLOS Genet、J. Bone Miner. Res.等期刊上发表论文90余篇,他引3000多次,并多次被F1000推荐和国家基金委网站报道。

更多信息请访问:

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

 

郭金山教授简介

郭金山,博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所(导师:黄宇彬、景遐斌、陈学思(中科院院士))。博士毕业后赴美,先后在得州大学阿灵顿分校、宾州州立大学(合作导师:杨健教授)和哈佛大学(合作导师:Juan Perez-Mercader)从事博士后研究。2019年6月以第三层次人才入职南方医科大学基础医学院,任教授、博士生导师。研究方向集中在生物医用高分子在软、硬组织工程材料中的应用,包括生物医用胶黏剂和伤口敷料以及生物活性骨科材料。至今,在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials等期刊发表论文30余篇,英文专著章节2章,有多项中国、美国和国际专利。课题组诚招博士后和研究助理,欢迎来函来电咨询: jsguo4127@smu.edu.cn, 020-61648222, QQ (wechat): 123332035。

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