《Biomaterials Advances》：Hybrid microcrystalline cellulose bio-aerogels and fish scale particles for bone tissue engineering: A physicochemical and in vitro biological evaluation approach
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摘要专业翻译
鱼鳞废弃物被增值利用，作为纤维素气凝胶的生物活性组分。鱼鳞颗粒为杂化气凝胶提供了胶原蛋白和羟基磷灰石。鱼鳞的掺入调控了气凝胶的理化性质和力学性能。杂化气凝胶支持人胎儿成骨细胞（hFOB）的高存活率。鱼鳞颗粒在体外增强了成骨细胞的矿化作用。研究人员
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鱼鳞废弃物被增值利用，作为纤维素气凝胶的生物活性组分。鱼鳞颗粒为杂化气凝胶提供了胶原蛋白和羟基磷灰石。鱼鳞的掺入调控了气凝胶的理化性质和力学性能。杂化气凝胶支持人胎儿成骨细胞（hFOB）的高存活率。鱼鳞颗粒在体外增强了成骨细胞的矿化作用。研究人员提出将经过最低限度加工的鱼鳞颗粒掺入微晶纤维素（MCC）基质中，作为天然共存有机相和矿物相的来源，旨在制备杂化生物气凝胶，并评价其理化性质和体外生物学响应，为其在骨组织工程中的潜在应用迈出一步。研究人员采用改良的NaOH/尿素溶解法制备了纯MCC气凝胶及含0.25%和0.50%鱼鳞颗粒（FSP）的杂化气凝胶。理化表征（包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC））证实，FSP保留了其天然复合特性，即由羟基磷灰石矿化的胶原蛋白组成，且颗粒部分暴露于气凝胶表面。体外溶胀、降解和润湿性测试表明，FSP的掺入调控了气凝胶的吸水能力和亲水性。力学测试显示，FSP的加入影响了气凝胶的硬度和压缩模量。体外生物学评价采用人胎儿成骨细胞（hFOB 1.19）进行。细胞毒性实验（MTT法）表明，所有气凝胶浸提液均无细胞毒性。活/死（LIVE/DEAD）染色显示，成骨细胞在气凝胶上培养1、7和14天后保持高存活率。茜素红S染色结果表明，与纯MCC气凝胶相比，含FSP的气凝胶上成骨细胞的矿化沉积显著增强。综上所述，鱼鳞颗粒作为天然有机-无机复合组分，能够有效改善纤维素气凝胶的理化性能和体外成骨活性，所制备的杂化生物气凝胶在骨组织工程领域具有广阔的应用前景。
论文解读文章
研究背景与问题
修复临界尺寸骨缺损是临床面临的重大挑战，因为大面积损伤组织中组织的再生能力有限。自体骨移植虽仍被视为骨重建的金标准，但其应用受限于组织来源不足、供区并发症以及术后风险等问题。因此，开发能够提供结构支撑并促进骨再生过程的生物材料成为研究热点。在众多用于骨组织工程的生物材料中，气凝胶因其高孔隙率、低密度、大比表面积和吸收能力而备受关注，这些特性使其能够构建有利于营养运输的三维结构。其中，纤维素基气凝胶凭借其生物相容性、可生物降解性和易加工性，成为生物医学应用的理想候选材料。然而，纤维素在骨再生应用中表现出有限的生物活性。为此，已有研究探索通过掺入生物活性化合物来改善其生物学性能，例如超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）虽实现了高细胞存活率，但评价时间仅持续72小时且未评估矿化作用。尽管目前尚无将鱼鳞粉掺入纤维素气凝胶的报道，但已有研究探索了纤维素与鱼鳞中组分的组合，如胶原蛋白与纤维蛋白原结合纤维素气凝胶实现了充分的细胞增殖并评估了第7天的矿化。鱼鳞主要由I型胶原蛋白和羟基磷灰石组成，这些组分同样存在于骨组织中，因此鱼鳞代表了一种有趣的替代方案。在此背景下，本研究提出将经过最低限度加工的鱼鳞颗粒掺入微晶纤维素基质中，作为天然共存有机相和矿物相的来源，旨在制备杂化生物气凝胶，并系统评价其理化性质及体外生物学响应，为其在骨组织工程中的潜在应用奠定基础。
研究内容与结论
研究人员通过改良的NaOH/尿素溶解法，将不同含量（0%、0.25%、0.50%）的鱼鳞颗粒（FSP）掺入微晶纤维素（MCC）基质中，制备了三种气凝胶配方（MCC、MCC-FSP0.25、MCC-FSP0.50），并对其理化性能、力学性能和体外生物学响应进行了全面评价。研究结果表明，FSP的掺入成功构建了聚合物相、蛋白质相和矿物相共存且紧密关联的杂化网络。理化表征证实FSP保留了其天然复合特性，即羟基磷灰石矿化的胶原蛋白，且颗粒部分暴露于气凝胶表面，有利于其功能基团直接参与细胞相互作用。FSP的掺入调控了气凝胶的溶胀能力、降解行为、润湿性和力学性能。体外细胞实验表明，所有气凝胶均无细胞毒性，支持人胎儿成骨细胞（hFOB）的高存活率，且FSP的掺入显著增强了成骨细胞的矿化沉积。该研究为利用鱼鳞废弃物开发生物活性骨组织工程支架提供了新策略，所制备的杂化生物气凝胶在骨修复领域具有广阔的应用前景。
主要技术方法
研究人员采用了以下关键技术方法：鱼鳞经0.5 M NaCl和0.4 M NaOH预处理去除非胶原蛋白后冻干，经工业研磨和0.074 mm筛网过筛获得鱼鳞颗粒（FSP）；采用改良的NaOH/尿素溶解法制备气凝胶，并经柠檬酸交联和冷冻干燥处理；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）进行理化表征；采用重量法进行体外溶胀和降解测试；采用座滴法测定水接触角（WCA）；采用Shore D硬度计和万能试验机分别进行硬度和单轴压缩测试；采用人胎儿成骨细胞（hFOB 1.19，ATCC CRL-11372）进行体外生物学评价，包括MTT细胞毒性实验、LIVE/DEAD活/死染色和茜素红S染色矿化分析。
研究结果
3.1 微晶纤维素、鱼鳞颗粒和气凝胶的表征
通过SEM观察发现，纯MCC气凝胶呈现相对均匀的连续层状结构，而掺入FSP后，气凝胶表面变得更加异质和粗糙，且随着FSP浓度增加，表面更加不规则、结构更复杂，表明FSP的掺入影响了凝胶化和冷冻干燥过程中纤维素网络的形成。FTIR分析显示，FSP具有胶原蛋白特征峰（酰胺A 3200 cm?1、酰胺I 1650 cm?1、酰胺II 1550 cm?1、酰胺III 1260 cm?1）和羟基磷灰石的磷酸根特征峰（990 cm?1），这些信号在杂化气凝胶中同样存在。XRD分析表明，FSP的所有衍射峰均对应于六方羟基磷灰石（ICDD 009–0432），证实了鱼鳞中矿物相的存在。TGA和DSC分析揭示了FSP掺入对气凝胶热稳定性的影响。
3.2 体外溶胀、降解和润湿性
体外溶胀测试表明，FSP的掺入调控了气凝胶在PBS（pH 7.4，37°C）中的吸水能力。体外降解测试（8周）显示，不同配方气凝胶在PBS中的重量保持率存在差异。润湿性测试通过水接触角（WCA）评估，结果表明FSP的掺入影响了气凝胶表面的亲水性。
3.3 硬度和力学性能
Shore D硬度测试显示，FSP的掺入影响了气凝胶的表面硬度。单轴压缩测试表明，FSP的加入改变了气凝胶的弹性模量，且不同FSP含量对力学性能的影响存在差异。
3.4 生物学评价
3.4.1 细胞毒性实验
采用MTT法评估气凝胶浸提液（100%、75%、50%、25%、0% v/v）对hFOB细胞的毒性。结果表明，所有气凝胶配方在不同浓度浸提液下均未表现出细胞毒性，细胞存活率保持较高水平，符合ISO 10993-5标准要求。
3.4.2 细胞存活率和密度
通过LIVE/DEAD染色和共聚焦荧光显微镜观察，评估了成骨细胞在气凝胶上培养1、7和14天的存活情况。结果表明，所有气凝胶配方均支持hFOB细胞的高存活率，细胞在气凝胶表面和内部保持良好的活性。
3.4.3 茜素红S染色
通过茜素红S染色评估成骨细胞在气凝胶上的矿化沉积。结果表明，与纯MCC气凝胶相比，含FSP的气凝胶上成骨细胞的矿化沉积显著增强，且随着FSP含量增加，矿化程度更高，表明FSP中的胶原蛋白和羟基磷灰石组分促进了成骨细胞的矿化活性。
讨论与结论
讨论部分指出，鱼鳞颗粒的掺入并非仅仅是增强相的添加，而是引入了能够同时改变分子间相互作用和结构组织的杂化体系。FSP保留了其天然复合特性，即羟基磷灰石矿化的胶原蛋白，使得最终材料形成了聚合物相、蛋白质相和矿物相共存且密切关联的杂化网络。FSP颗粒部分暴露于气凝胶表面，使其功能基团能够直接参与与细胞的相互作用，这对骨组织工程应用至关重要。研究结论表明，鱼鳞颗粒作为天然有机-无机复合组分，能够有效改善纤维素气凝胶的理化性能和体外成骨活性，所制备的杂化生物气凝胶在骨组织工程领域具有广阔的应用前景。该研究不仅为鱼鳞废弃物的增值利用提供了新途径，也为开发新型骨修复材料提供了重要参考。
