基于绿色合成Fe3O4-La@SiO2纳米复合材料的PCL/COL纳米纤维支架促进脂肪干细胞成骨分化的研究

本研究通过绿色合成法开发了负载Fe3O4-La@SiO2纳米颗粒的PCL/COL电纺支架，解决了传统骨修复材料生物活性不足的问题。实验证实该支架显著提升ADSCs（脂肪来源干细胞）的ALP活性、钙沉积及Runx2/BMP2等成骨标志物表达，21天时矿化程度提升22倍，为骨组织工程提供了兼具磁响应性与生物活性的新型材料。

　　

背景与科学问题

骨缺损修复面临移植物整合不良、供区并发症等挑战，而传统合成骨支架存在降解速率慢、生物活性有限等问题。磁性纳米颗粒(Fe₃O₄, MNPs)虽能通过机械电转换促进成骨，但裸颗粒易引发铁离子毒性。稀土元素镧(La)因与钙离子(Ca²⁺)相似的离子半径，可模拟其生物学功能，但如何将二者优势整合至支架材料仍待探索。

研究设计与技术方法

团队采用榆树叶提取物绿色合成Fe₃O₄-La纳米颗粒，并通过植物源SiO₂包覆构建核壳结构。将3wt%纳米颗粒与聚己内酯/胶原(PCL/COL)共混，通过电纺技术制备纳米纤维支架。利用大鼠ADSCs模型，通过ALP活性检测、茜素红染色及Western blot等技术评估成骨分化效果。

研究结果

1. 纳米颗粒表征

XRD证实Fe₃O₄-La@SiO₂成功保留尖晶石结构（JCPDS No. 00-075-0449），SiO₂包覆层厚度约30nm。VSM显示超顺磁性，饱和磁化强度为26.8 emu/g。

3O₄-La@SiO₂的TEM与FE-SEM图像'>

2. 支架性能优化

MNPs使PCL/COL纤维直径从162.7nm降至133.3nm，拉伸强度提升至2.36MPa，接触角从126.5°降至80.3°，显著改善疏水性。

3. 成骨效应验证

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  细胞行为：PCL/COL/Fe₃O₄-La@SiO₂组在第5天细胞活性达峰值（p<0.0001），FE-SEM显示ADSCs形成多层矿化结节。

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  分子机制：Western blot显示Runx2表达量较对照组提升3.1倍，BMP2上调1.8倍，激活TGF-β/Wnt通路。

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  矿化能力：21天时钙沉积量达纯PCL/COL组的22倍，EDS证实存在Ca/P/La元素共定位。

3O₄-La@SiO₂支架的EDAX元素分布图'>

结论与意义

该研究首创性地将植物源SiO₂包覆的Fe₃O₄-La纳米颗粒整合至电纺支架，通过三重机制促进成骨：①La³⁺替代Ca²⁺优化晶体结构；②MNPs产生机械刺激；③SiO₂层降低铁离子泄漏。发表于《Journal of Biological Engineering》的成果为开发兼具生物安全性与功能性的骨修复材料提供了新范式。