Mg–Mn富集层状双氢氧化物/卤氧化物杂化支架的设计：一种用于改善生物矿化和成骨活性的功能性方法

《Applied Nursing Research》：Design of Mg–Mn enriched layered double hydroxide/halloysite hybrid scaffold: a functional approach for improved biomineralization and osteogenic activity

骨组织再生材料：镁锰层状双氢氧化物/明胶复合支架的制备与生物活性分析。通过共沉淀法制备Mg-Mn-LDH，并修饰海藻土纳米管（fHNT）与明胶冻干复合，优化了孔隙结构（孔径42.1μm，孔隙率78.3%），提升热稳定性（残留质量35.2%）和可控降解性（28天保留74.9%）。体外实验显示促进成骨细胞增殖（ALP活性显著提升）和羟基磷灰石沉积，证实其骨修复潜力。

　　骨组织修复是现代医学领域中一个至关重要的研究方向，尤其在应对因创伤或病理条件导致的骨组织损失和功能障碍时，具有深远的意义。为了克服传统骨移植材料（如自体骨和异体骨）在临床应用中所面临的局限性，研究人员不断探索新型的合成骨移植物。这类材料通常旨在模仿骨组织的细胞外基质（ECM），通过提供适宜的微环境来促进组织再生。本文的研究重点在于开发一种新型的复合骨支架材料，其结合了层状双氢氧化物（LDH）和功能化卤loysite纳米管（fHNT）的优势，以期在骨修复领域取得突破性进展。

LDH是一种具有独特结构的无机纳米材料，其结构由正电荷的金属层和负电荷的层间阴离子组成，表现出良好的生物相容性和多功能性。这类材料因其可调控的粒径、高化学和热稳定性、阴离子交换能力、pH响应性溶解特性以及高效的药物负载和释放性能，广泛应用于生物医学领域。特别是在骨组织工程中，LDH被证明可以有效促进成骨细胞的分化和增殖，同时支持新骨组织的形成。其结构特性使得LDH能够作为载体，负载特定的金属离子，如镁（Mg2?）和铁（Fe3?），这些离子在骨形成过程中起着关键作用。

镁离子（Mg2?）在骨组织工程中具有显著的生物学活性。研究表明，Mg2?不仅能够促进人骨髓间充质干细胞的分化和增殖，还能够在体内外环境中加速骨生成，增强骨细胞的附着和稳定性，并影响骨样羟基磷灰石层的形成速率。通过将LDH纳米片引入成骨细胞的培养体系中，可以实现Mg2?的缓慢释放，从而为细胞提供持续的生长刺激。这种机制已被广泛应用于骨组织工程材料的设计中，以提高其生物活性和促进骨再生。

除了镁离子，锰（Mn）也因其多种生物学功能而在骨组织工程中受到关注。Mn在细胞外基质的重构和骨矿化过程中发挥重要作用，能够增强骨钙素的分泌，提高碱性磷酸酶（ALP）的活性，并促进I型胶原蛋白的形成。这些特性表明，Mn可以有效支持成骨细胞的活性和功能。此外，Mn还被发现能够显著影响细胞的增殖、分化和骨生成过程，从而进一步提升骨支架材料的生物活性。

为了进一步增强骨支架材料的性能，研究人员引入了功能化的卤loysite纳米管（fHNT）。HNT是一种天然存在的铝硅酸盐纳米管，具有高长宽比和稳定的结构，能够有效提升聚合物基质的机械性能。其表面的负电荷特性使其能够与聚合物之间形成强烈的静电相互作用，从而提高复合材料的稳定性。此外，HNT的引入还可以改善材料的亲水性，促进细胞与支架之间的相互作用。通过使用有机硅烷偶联剂，如3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES），对HNT进行表面修饰，可以进一步增强其在聚合物基质中的分散性，并提升其生物活性。

在本文的研究中，研究人员采用共沉淀法合成了一种基于镁和锰的LDH材料，并将其与功能化的HNT结合，构建了两种新型的复合支架材料：Gel-LDH和Gel-LDH-fHNT。其中，Gel-LDH由胶原蛋白（Gel）作为基质，LDH作为活性成分构成；而Gel-LDH-fHNT则在Gel-LDH的基础上进一步引入了功能化的HNT。这两种材料均通过冷冻干燥技术进行制备，以形成具有多孔结构的三维网络。这种结构不仅提供了良好的细胞生长环境，还能够促进物质的扩散和代谢。

通过系统的结构和形态分析，研究人员确认了这两种复合支架材料形成了多孔的三维网络结构。其中，Gel-LDH-fHNT支架的平均孔径达到42.1微米，整体孔隙率提高至78.3%，表明其具有更优异的渗透性和细胞生长支持能力。此外，该材料表现出良好的热稳定性，残余质量为35.2%，在pH 7.4的模拟体液环境中经过28天的降解后，仍有74.9%的支架结构得以保留，显示出其在体内环境下的可控降解特性。

在生物活性方面，Gel-LDH-fHNT支架表现出显著的生物矿化能力。在21天的模拟体液浸泡后，其表面形成了羟基磷灰石层，这一现象通过表面形态学分析和元素分析得到证实。羟基磷灰石是骨组织的主要无机成分，其形成不仅表明材料具有良好的骨引导能力，还可能促进新骨组织的生成。此外，体外生物学实验表明，该复合支架具有良好的血液相容性，能够支持成骨细胞的增殖，并显著提高碱性磷酸酶（ALP）的活性，以及促进钙沉积，这些结果共同表明该材料在骨修复方面的潜力。

在构建复合支架的过程中，研究人员还采用了多种化学修饰方法以增强材料的性能。例如，通过使用戊二醛作为交联剂，能够有效提高胶原蛋白支架的结构稳定性。戊二醛在适当浓度下不会对细胞活性造成负面影响，其浓度范围通常在0.5%至1%之间，能够维持细胞的正常生长和代谢。此外，研究人员还探索了其他化学交联剂，如谷氨酰胺聚胺和1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺（EDC），以进一步优化材料的结构和性能。

值得注意的是，HNT的引入不仅提升了支架的机械性能，还增强了其在体液环境中的稳定性。HNT在降解过程中会释放出铝和硅的化合物，这些化合物能够与体内的钙离子反应，生成具有骨引导作用的硅酸钙和铝硅酸钙等矿物。这些矿物的形成有助于促进骨组织的再生和修复。此外，HNT降解过程中释放的正硅酸盐（Si(OH)?）已被证实能够刺激I型胶原蛋白的合成，并促进成骨细胞的转化，从而进一步增强支架的生物活性。

综上所述，本文的研究通过将LDH和功能化的HNT引入胶原蛋白基质中，构建了一种具有多孔结构、良好生物活性和可控降解特性的复合骨支架材料。该材料在体外实验中表现出优异的细胞相容性和促进成骨细胞分化的能力，显示出在骨修复领域的巨大潜力。通过进一步的优化和研究，这种复合支架有望在未来的临床应用中发挥重要作用，为骨组织工程提供新的解决方案。