静电纺丝纳米复合聚氨酯支架：洋葱与硫酸铜的协同作用在增强骨组织工程应用中的效果

《Polymer》：Electrospun nanocomposite polyurethane scaffolds: The synergistic effect of onion and copper sulphate for enhanced bone tissue engineering applications

电纺聚尿烷（PU）支架复合洋葱提取物和硫酸铜，显著提升骨再生相关性能。FESEM显示纤维直径由830±145 nm降至547±143 nm，EDX证实铜含量达2.2%，FTIR验证分子结合，机械强度增至11.83 MPa，骨矿化率提高17.1%-19.5%，细胞毒性低且抗菌活性增强。

　　在生物医学工程领域，组织工程作为一种创新的治疗方法，正逐步成为修复和再生骨骼组织的重要手段。骨骼作为人体中最坚硬的组织之一，具备自我修复的能力，但这种能力在面对严重的损伤或疾病时往往显得不足。因此，科研人员致力于开发能够有效促进骨骼再生的生物材料。本研究聚焦于一种基于聚氨酯（PU）的电纺纳米复合支架，其结合了洋葱提取物和硫酸铜，以提升其生物活性和骨整合能力。通过多种分析手段，如场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及原子力显微镜（AFM），研究人员评估了这种新型支架的物理化学特性，并通过体外实验验证了其生物相容性、抗菌性能以及促进骨矿化的潜力。

研究表明，洋葱提取物的引入显著降低了PU纳米纤维的直径，从原始的830±145纳米减少至547±143纳米，这一变化可能对细胞的附着和生长产生积极影响。同时，EDX分析证实了硫酸铜在支架中的成功整合，占比约为2.2%。这表明，支架不仅在物理结构上得到了优化，还在化学成分上实现了功能性增强。此外，FTIR光谱显示了PU、洋葱提取物和硫酸铜之间的分子相互作用，特别是氢键的形成，进一步证明了这些成分的协同效应。通过机械测试，研究发现PU/洋葱/硫酸铜复合支架的拉伸强度提升至11.83兆帕，较原始PU支架有了显著改善，从而增强了支架的耐用性。

热分析结果显示，PU/洋葱复合支架在299摄氏度下仍保持稳定，这为支架在体内环境中的长期应用提供了理论支持。AFM检测表明，支架表面粗糙度降低至409±70纳米，这一特性可能有助于细胞更好地附着于支架表面，进而促进组织的生长和修复。血液相容性研究显示，该支架表现出优异的抗凝血性能，其凝血酶原时间（PT）和活化部分凝血活酶时间（APTT）显著延长，同时血红蛋白裂解率降低，这些结果表明该材料在体内应用时具有更高的安全性。

骨矿化实验进一步揭示了该支架在促进骨骼再生方面的潜力。与未改性的PU支架相比，PU/洋葱支架的钙沉积量提高了17.1%，而PU/洋葱/硫酸铜复合支架则达到19.5%。这些数据表明，洋葱提取物和硫酸铜的协同作用能够显著增强支架的骨诱导能力。此外，MTT实验表明，该支架对成骨细胞无毒性，并且能够提高细胞的活性，说明其具备良好的生物相容性。抗菌实验也显示，该支架能够有效抑制细菌生长，增强了其作为生物材料的抗菌性能。

综上所述，基于PU的电纺纳米复合支架在机械强度、生物活性、抗菌效果和骨诱导潜力方面均表现出色，使其成为骨骼组织工程应用中的有力候选材料。研究团队通过系统的实验设计，不仅验证了这些成分在提升支架性能方面的有效性，也为未来开发更高效、更安全的骨骼修复材料提供了理论依据和技术支持。此外，该研究还强调了天然成分在生物材料开发中的应用价值，尤其是在提升材料的生物活性和安全性方面。通过将洋葱提取物和硫酸铜引入PU支架，研究人员成功构建了一种具有多重功能的生物材料，这为解决传统骨骼修复材料在临床应用中面临的问题提供了新的思路。

在当前的医学实践中，骨骼修复材料的选择一直受到诸多因素的制约。例如，自体移植虽然具有良好的生物相容性，但其局限性在于供体部位的稀缺以及手术过程中的额外创伤。异体移植虽然避免了供体部位的问题，但存在免疫排斥和疾病传播的风险。而异种移植则可能引发更严重的免疫反应，限制了其应用范围。此外，合成骨替代材料虽然具有一定的优势，但其在实际应用中也面临着成本高、生物活性不足以及难以完全模拟天然骨骼结构等问题。因此，寻找一种既能满足机械性能要求，又能提供生物活性和抗菌功能的新型支架材料，成为当前研究的重要方向。

本研究的创新之处在于首次将洋葱提取物和硫酸铜结合于PU电纺支架中，并系统评估了它们的协同效应。洋葱作为一种常见的食材，长期以来被人们用于传统医学和营养补充。其富含多种矿物质和维生素，尤其是类黄酮化合物，如花青素、槲皮素、异鼠李素和莰菲醇等，这些成分具有抗氧化、抗炎、抗菌和促进伤口愈合等多种生物活性。而铜元素则因其在促进血管生成、诱导成骨细胞分化以及抗菌方面的特性，被广泛应用于生物材料领域。将这两种天然成分引入PU支架，不仅能够提升支架的生物活性，还可能赋予其更多的功能特性，从而更全面地满足骨骼再生的需求。

在材料制备过程中，研究团队采用了电纺技术，这是一种能够精确控制纤维直径和结构的先进方法。电纺技术的优势在于其能够生产具有高度多孔性和大表面积的纳米纤维支架，这些特性有助于细胞的附着、增殖和分化。此外，电纺支架的机械性能可以通过调整纤维的直径、密度和排列方式进行优化，使其更接近天然骨骼的力学特性。在本研究中，通过添加洋葱提取物和硫酸铜，研究人员不仅优化了支架的物理结构，还增强了其化学组成，使其具备更强的生物活性和功能特性。

从生物相容性的角度来看，该支架在体外实验中表现出良好的细胞相容性。MTT实验显示，该支架能够支持成骨细胞的生长，且不会对细胞造成毒性影响。这表明，该材料在体内环境中能够与细胞形成良好的相互作用，为细胞提供适宜的生长环境。同时，抗菌实验的结果也显示，该支架能够有效抑制细菌的生长，从而减少感染的风险。这对于临床应用而言至关重要，因为任何生物材料在体内环境中都可能面临微生物感染的挑战，而具备抗菌性能的材料能够显著提升其安全性和有效性。

在骨再生研究中，除了机械性能和生物相容性，支架的生物活性和骨诱导能力也是评价其性能的重要指标。生物活性通常指材料与细胞之间的相互作用能力，包括促进细胞附着、增殖和分化等。而骨诱导能力则指材料能够诱导新骨形成的能力，这是骨组织工程支架的核心功能之一。在本研究中，通过引入洋葱提取物和硫酸铜，研究人员成功提升了支架的生物活性和骨诱导能力。这不仅体现在钙沉积量的显著增加上，还通过多种实验手段验证了其在促进细胞生长和抑制细菌感染方面的潜力。

此外，该研究还强调了材料的热稳定性和表面特性在骨骼修复中的重要性。热稳定性是指材料在高温环境下保持其物理和化学特性的能力，这对于支架在体内环境中的长期应用至关重要。而表面特性则直接影响细胞的附着和生长，因此，降低表面粗糙度有助于提高细胞的粘附效率，从而促进组织的再生。本研究通过热分析和AFM检测，证实了PU/洋葱/硫酸铜复合支架在高温下的稳定性以及其表面特性的优化，这些结果进一步支持了其在临床应用中的可行性。

总的来说，本研究为骨骼组织工程领域提供了一种新的材料选择，其基于PU的电纺纳米复合支架不仅具备优良的机械性能，还融合了洋葱提取物和硫酸铜的生物活性，使其在促进骨再生和修复方面展现出巨大的潜力。这一研究不仅拓展了电纺技术在生物材料领域的应用，也为未来开发多功能、高效能的骨骼修复材料提供了重要的理论和技术支持。随着对材料性能的不断优化和生物活性的深入研究，基于PU的电纺纳米复合支架有望在未来的临床应用中发挥更大的作用。