用于骨再生的羟乙基纤维素/蒙脱石-纳米生物活性玻璃复合材料的开发与性能表征

《Journal of Molecular Liquids》：Development and characterization of a polymeric nanocomposite based on hydroxyethyl cellulose with montmorillonite and bioactive glass nanostructures for bone regeneration

本研究针对骨组织修复中机械性能与生物活性难以兼顾的挑战，开发了一种基于羟乙基纤维素(HEC)并复合蒙脱石(nMMT)和镁掺杂纳米生物活性玻璃(nBV-nMgO)的新型聚合物纳米复合材料(HEC@nMMT/nBV-nMgO)。通过原位聚合法合成并系统表征，该材料展现出72.52 MPa的杨氏模量、65.70%的可控降解率及优异的生物相容性，能有效促进成骨细胞分化与矿化。其创新在于利用农业废弃物（稻壳）和工业残渣（污泥）作为纳米增强相前体，构建了兼具力学强度与生物活性的生态友好型骨修复支架，为骨再生材料设计提供了新策略。

　　

骨骼，作为人体的支撑框架，其健康至关重要。然而，骨缺损和骨相关疾病（如骨质疏松症、骨关节炎）影响着全球数亿人，由衰老、创伤或遗传因素导致，常常需要植入生物材料来促进修复。理想的骨修复材料需要满足多重严苛要求：它必须足够坚固以承受生理负荷，同时具有良好的生物相容性，能引导新骨生长，并最终在完成使命后安全降解。然而，传统材料往往难以在力学性能、生物活性和降解速率之间取得完美平衡。例如，一些高分子材料柔软但强度不足，而某些陶瓷材料虽强度高却可能脆性大、降解慢。因此，开发新型复合材料，将不同材料的优势有机结合，成为骨组织工程领域的研究热点。

在此背景下，一项发表于《Journal of Molecular Liquids》的研究报道了一种颇具前景的新型骨修复材料。研究人员将目光投向了一种天然高分子——羟乙基纤维素(HEC)。HEC具有良好的水溶性和生物相容性，常被用作药物载体和增稠剂。但纯HEC的机械强度较弱，限制了其在承重骨缺损修复中的应用。为了克服这一局限，研究团队创造性地将两种纳米材料作为增强相引入HEC基质中：一种是来源于工业废水的蒙脱石(nMMT)粘土，另一种是来源于稻壳灰的镁掺杂纳米生物活性玻璃(nBV-nMgO)。这项研究的创新之处不仅在于材料设计，还在于其可持续理念，它成功地将农业和工业废弃物转化为高价值的医用纳米材料。

为了构建这种复合支架（命名为HEC@nMMT/nBV-nMgO），研究人员主要采用了几个关键技术：首先，他们利用水热法和溶胶-凝胶法等制备了nMMT和nBV-nMgO纳米颗粒，其原料来自预处理的稻壳和废水处理厂污泥。接着，通过原位聚合法将HEC与纳米增强相(nMMT/nBV-nMgO)结合，并使用冷冻干燥技术最终成型为多孔支架。这种方法有助于纳米颗粒在聚合物基质中的均匀分散和稳定结合。表征技术包括X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)以及力学性能测试等，以全面评估材料的结构、形貌、热稳定性和机械性能。生物学评价则通过细胞毒性试验(MTT法)、碱性磷酸酶(ALP)活性测定、模拟体液(SBF)浸泡实验等，系统评估了材料的细胞相容性、成骨活性和体外矿化能力。

3.1. CCRD 2²合成设计优化

研究首先采用中心复合旋转设计(CCRD)来优化复合材料中HEC和nMMT/nBV-nMgO的浓度配比。通过聚类分析和Pearson相关性分析，确定了最佳配方为[HEC] = 1.50% (w/w) 和 [nMMT/nBV-nMgO] = 0.12% (w/w)。此配比能在机械强度和生物活性之间取得最佳平衡，并被选用于后续深入表征。

3.2. HEC@nMMT/nBV-nMgO的表征

对最优配比的复合材料进行了一系列物理化学表征。XRD结果显示材料呈半晶态，结晶度为48%，且nMMT的特征峰消失，表明其片层在HEC基质中达到了良好的剥离状态。FTIR光谱证实了HEC与纳米颗粒之间形成了氢键等分子间相互作用。氮气吸附-脱附测试表明材料具有介孔结构。力学测试显示，复合材料的杨氏模量达到72.52 MPa，最大伸长率为10.09%，具备了作为骨修复支架所需的初步力学支撑性能。接触角测试表明材料表面亲水（30.8°），有利于细胞粘附。SEM图像显示材料形成了异质性的微观纤维结构，平均粒径约为269.4 nm。这些特性共同为细胞生长和营养运输提供了有利的微环境。

3.3. 体外安全性评价

生物学评价是检验材料能否应用于人体的关键。MTT实验表明，HEC@nMMT/nBV-nMgO的提取物在低浓度下对成骨细胞(OFCOL II)表现出良好的细胞活力（72小时增殖率可达170.32%），表明其具有良好的细胞相容性。乳酸脱氢酶(LDH)释放实验和活性氧(ROS)检测结果进一步证实材料未引起明显的细胞毒性或氧化应激反应。特别是在模拟体液(SBF)中浸泡后，材料表面能够形成磷灰石层，这是材料具有生物活性和骨结合能力的重要标志。碱性磷酸酶(ALP)活性检测是评价成骨细胞分化的关键指标，该复合材料能显著提高ALP活性，表明其能有效促进成骨分化。

3.4. 生物活性与降解性能

材料的降解性能和离子释放行为对于骨修复过程至关重要。降解实验显示，HEC@nMMT/nBV-nMgO在56天内降解了65.70%，呈现可控的降解速率，能与新骨生长速率相匹配。在SBF中，材料能持续释放出Si⁴⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、PO₄^3?等多种对成骨有益的离子。这些离子不仅能够调节局部微环境的pH值，防止过度酸化，还能直接刺激成骨相关基因的表达，加速骨矿化过程。材料的溶胀行为也得到控制，有利于在体内保持结构稳定性。

综上所述，这项研究成功开发并系统表征了一种基于HEC、nMMT和nBV-nMgO的新型聚合物纳米复合材料。研究结论强调，该复合材料通过巧妙地结合天然聚合物的生物相容性、粘土矿物的力学增强效应以及生物活性玻璃的成骨诱导能力，实现了力学性能、生物活性和可控降解性的良好统一。其重要意义在于：首先，它为解决骨修复材料中常见的力学强度与生物活性之间的矛盾提供了一个有效的解决方案。其次，整个研究秉承了绿色化学和可持续发展的理念，将农业和工业废弃物转化为高附加值的生物医学材料，具有显著的环境和经济效益。最后，详尽的体外实验数据为该材料的进一步开发和应用奠定了坚实的基础。当然，正如作者所指出的，这项研究仍处于临床前阶段，后续的动物体内实验和长期的生物安全性评估将是推动其走向临床应用的必经之路。这项工作为下一代智能型、生态友好型骨修复生物材料的设计提供了有价值的见解和可行的技术路径。