矿化甲壳素纳米晶增强壳聚糖3D多孔生物杂化支架的骨诱导能力用于骨组织再生

研究人员针对牙周炎导致的牙槽骨缺损修复难题，创新性地将组织工程(TE)原理与仿生矿化技术相结合，开发了羟基磷灰石(HAp)矿化甲壳素纳米晶(MCHNC)增强的壳聚糖(CS)3D多孔支架。通过α/β两种同分异构体CHNC的仿生矿化，成功构建了具有优异机械性能(191±10 kPa)和显著骨诱导活性的生物杂化材料，使人脂肪间充质干细胞(hASCs)在标准培养基中ALP活性提升3.5倍、基质矿化增加26.3倍。该研究为牙槽骨再生提供了新型生物活性支架解决方案。

　　

牙周炎导致的牙槽骨缺损是全球范围内的高发疾病，约19%的15岁以上人群受累。传统治疗方法如骨移植和义齿修复存在效率低下等问题。组织工程(Tissue Engineering, TE)技术通过模拟骨细胞外基质(ECM)的有机-无机复合特性，为骨再生提供了新思路。然而现有支架材料普遍面临机械强度不足、降解速率不匹配、骨诱导活性缺乏等挑战，特别是壳聚糖(CS)基材料虽具有类糖胺聚糖结构和良好生物相容性，但单独使用时难以满足骨再生需求。

法国MANTA海洋材料研究中心与西班牙巴斯克大学的研究团队创新性地将仿生矿化技术与纳米材料科学相结合，开发出具有双重功能的矿化甲壳素纳米晶(MCHNC)。研究通过湿化学沉淀法在α/β两种甲壳素纳米晶(CHNC)表面构建羟基磷灰石(HAp)矿化层，并将其与CS基质复合形成3D多孔支架。实验证实CS/MβCHNC材料不仅机械性能显著提升(压缩模量达191±10 kPa)，更展现出优异的骨诱导活性，使hASCs在标准培养基中ALP活性提高3.5倍，基质矿化增加26.3倍。该突破性成果发表于《Carbohydrate Polymers》期刊，为牙槽骨再生提供了新型生物活性支架解决方案。

研究采用多项关键技术：通过酸水解法从α/β甲壳素中提取纳米晶(CHNC)；采用CaCl₂
/Na₂
HPO₄
湿化学沉淀法进行仿生矿化；利用冷冻干燥技术构建CS基3D多孔支架；采用人脂肪来源间充质干细胞(hASCs)评估骨诱导活性；通过悬滴法构建骨性球体(osteospheroids)进行支架整合实验。

3.1节矿化CHNC表征研究显示，400:240 mM Ca/P溶液矿化4天可形成均匀的HAp包覆层。ATR-FTIR证实PO₄
^3-
特征峰(1022 cm^-1
)的出现，TGA显示最高25%的矿物残留。WAXS分析确认了HAp特征晶面(211)、(300)的存在，且β-CHNC更易形成针状矿物。

3.2节体外生物响应实验证实，200 μg/mL MCHNC悬浮液可使L929细胞存活率>90%。在hASCs分化实验中，MβCHNC组ALP活性提升219倍，矿化结节增加1.8倍，显著优于未矿化组。

3.3节杂化支架性能显示，CS/MβCHNC的孔隙尺寸达121±14 μm，满足细胞浸润需求。压缩测试显示其韧性(5.70±0.25 J·m^-3
)显著提高，70天降解实验证实矿化使水解稳定性提升3.7倍。

3.4节生物相容性评估中，所有材料细胞活性>79%，Live/Dead染色显示CS/MβCHNC表面形成均匀细胞层。SEM观察到矿物沉积促进细胞铺展，证实材料表面生物活性。

3.5节骨诱导能力研究发现，CS/MβCHNC在模拟体液(SBF)中4周即可诱导HAp晶体形成。hASCs培养实验显示，即使用标准培养基(C)，ALP活性和基质矿化仍分别提高3.5倍和26.3倍，证实其固有骨诱导特性。

3.6节骨性球体整合实验证实，hASCs来源的骨性球体能在CS/MβCHNC支架上良好粘附、迁移和增殖，21天时形成类组织层，并伴随钙结节形成。

该研究创新性地开发了具有双重功能的MCHNC，既作为增强纳米填料又作为骨诱导剂。CS/MβCHNC支架展现出理想的机械性能、降解速率和生物活性，其独特的骨诱导特性突破了传统支架需要外源生长因子的局限。研究首次证实β-CHNC经矿化后具有优于α型的生物活性，为海洋生物材料在骨再生领域的应用开辟了新途径。这种"材料驱动分化"策略不仅简化了组织工程构建流程，更为牙槽骨缺损的临床治疗提供了具有转化潜力的解决方案。