综述：基于机制引导的仿生磷酸钙矿化技术在农基纳米纤维素、壳聚糖和果胶上的应用：实现这一技术的界面设计规则

《Carbohydrate Polymers》：Mechanism-guided biomimetic calcium phosphate mineralization on agro-derived nanocellulose, chitosan, and pectin: Interfacial design rules for translation

农业衍生多糖（如纳米纤维素、壳聚糖、果胶）作为生物矿化模板，其分子特性与矿化机制协同决定了羟基磷灰石类材料的结构、功能及临床转化潜力。本文提出统一机制-转化框架，揭示多糖纯度、取代度、电荷密度等关键质量属性与矿化路径（预成核复合物、无定相调控、晶体生长）的关联性，并建立标准化工艺参数与临床评价体系。

　　

José Roberto Vega-Baudrit|Mary Lopretti

国家纳米技术实验室，LANOTEC CENAT，CONARE，哥斯达黎加圣何塞

摘要

源自农业的多糖，特别是纳米纤维素、壳聚糖和果胶，正成为可持续的、可化学编程的模板，用于仿生磷酸钙（CaP）矿化过程。然而，可实际应用的系统仍受到机制解释不完整、材料表征不一致以及工艺变量控制不佳的限制。现有的综述通常分别讨论模拟体液筛选、CaP-聚合物复合材料或单一多糖类别，因此未能解释原料历史、聚合物的关键质量属性和矿化动力学如何共同决定结构、功能和可重复性。在这里，我们建立了一个统一的机制-转化框架，用于解释在农业来源的多糖支架上的CaP矿化过程。我们展示了来源和纯化过程如何决定分子量分布、乙酰化或酯化程度、电荷密度、残余灰分和内毒素负荷，以及这些参数如何控制界面离子结合、水合作用、前核化复合物的形成、非晶态磷酸钙的稳定以及向八钙磷酸盐、羟基磷灰石和碳酸磷灰石的转化。此外，我们还探讨了支架结构和加工路线如何控制矿物的定位，包括从表面涂层到体积矿化的转变。最后，我们提出了基于机制的设计规则和最低限度的定量报告要求，以提高骨再生生物材料的可重复性、可比性和生物医学转化潜力。

引言

在多糖支架上进行仿生磷酸钙（CaP）矿化的研究进展迅速，但该领域仍缺乏一个统一的框架，将原料来源、聚合物的关键质量属性（CQAs）、界面结晶途径和转化相关性能联系起来。对于源自农业的纳米纤维素、壳聚糖和果胶而言，这种差距尤为显著，因为它们的化学性质、杂质组成、电荷密度和水合状态不仅是背景变量，更是离子结合、非晶前体稳定、相成熟和可重复性的主要决定因素（Ansari, Heo, Do, Ghosh, & Son, 2024; Bleek & Taubert, 2013; De Yoreo et al., 2015; Hu, Ren, Li, & Zhang, 2020）。因此，许多研究仍然将类似磷灰石的沉积作为终点，而没有解决溶液历史、自由离子活性和支架结构如何控制从前体状态向空间可控的、与骨骼相关的矿化转变的问题。我们认为，源自农业的多糖不应被视为被动载体，而应作为可编程的水合界面，其化学性质和结构可以用来指导CaP的成核、成熟和在各个长度尺度上的体积分布，从而为骨再生生物材料提供更可重复和临床可信的设计规则（Habraken et al., 2013; Klemm, Heublein, Fink, & Bohn, 2005; Rinaudo, 2006; Voragen, Coenen, Verhoef, & Schols, 2009）。

一个持续的挑战是，在富含聚合物的水合环境中，磷酸钙（CaP）的形成往往偏离了纯粹的经典离子逐个结合的模式。在同一实验中，离子结合复合物、非晶中间体和颗粒附着步骤可能与随后的单体添加生长共存，主导路径受pH值、离子释放历史、碳酸盐/Mg2+含量、聚合物电荷密度和水合程度的影响（C?lfen & Antonietti, 2005; De Yoreo et al., 2015; Gebauer, V?lkel, & C?lfen, 2008）。这些多步骤过程本身并不使系统不可重复；当溶液历史、自由离子活性和聚合物化学性质控制不足或未得到充分报告时，可重复性会降低。因此，具有机制意识的设计是必要的；它是预测矿物相、结晶度、取向和空间分布的设计引擎。在这种背景下，这种设计理念与基础组织工程范式一致，其中支架结构和生化信号被整合起来以指导功能性组织再生（Langer & Vacanti, 1993）。

然而，现有文献仍然分散：许多研究报道了在多糖支架上形成类似磷灰石的结构，但很少有研究建立多糖化学质量属性（CQAs）、非经典CaP形成路径和可制造条件下的支架级性能指标之间的定量联系。同时，现有的综述通常强调基于模拟体液（SBF）的生物活性筛选、通用CaP合成或单一多糖家族，从而掩盖了原料与模板之间变异性这一对农业来源材料至关重要的因素（见第1.1节）。

因此，本综述重点关注源自农业的纳米纤维素、壳聚糖和果胶作为CaP矿化的可持续模板，提炼出设计规则，将这些规则联系起来，包括（i）聚合物CQAs（官能团身份/密度、取代模式、纯度和水合状态），（ii）模板形态（纳米纤维、薄膜、水凝胶和多孔支架），以及（iii）矿化途径（模拟体液浸泡、交替浸泡或受控前体释放），以获得最终的复合结构和骨再生性能。我们还提出了CaP矿化动力学和相演变的最低限度定量报告要求，并讨论了与生物医学相关的转化限制（生物安全性、灭菌、内毒素控制和基于风险的评估）。

几篇有影响力的综述讨论了在聚合物基质中的仿生CaP形成，但它们的范围通常要么是方法聚焦的（例如，将模拟体液（SBF）浸泡作为生物活性筛选工具），要么是材料聚焦的（例如，广泛讨论羟基磷灰石和CaP），或者仅限于单一多糖家族。关于聚合物控制下的CaP沉淀的基础机制研究指出，预测相和形态的编程仍然具有挑战性，并且强烈依赖于聚合物化学性质和溶液历史（Bleek & Taubert, 2013）。Shin, Acri, Geary和Salem（2017）回顾了基于SBF的生物材料矿化过程，Wu, Walsh, Hoff和Camci-Unal（2020）总结了骨组织工程的矿化策略；在这两种情况下，源自农业的CQAs和非经典动力学描述符都没有被视为核心设计变量。Hu等人（2020）专注于基于壳聚糖的矿化复合材料，而较新的综述则讨论了来自农业原料和副产品的纳米纤维素（Ansari et al., 2024）或羟基磷灰石-纤维素复合材料（Berrahou et al., 2026）。同时，Tang等人（2026）提供了关于多糖生物矿化在骨应用中的广泛视角，但没有关注原料驱动的CQAs或可重复制造的标准化。

相比之下，本综述将源自农业的纳米纤维素、壳聚糖和果胶视为可编程的水合界面，并将（1）原料到模板的CQAs（纯度、取代模式、电荷密度和水合状态），（2）非经典CaP形成路径（前核化复合物、非晶磷酸钙的稳定和向OCP/HAp/碳酸磷灰石的转化），以及（3）支架加工和转化限制（结构保持、灭菌引起的链变化、内毒素控制和基于风险的生物评估）联系起来。目标是提供实用的、具有机制意识的设计规则和最低限度的定量报告指标，以支持跨研究的可比性并加速临床可信的开发。

章节摘录

从农业来源的原料到生物医学级别的模板：为什么来源是一个设计变量

农业来源的原料包括主要的农业生物质、农业工业副产品以及选定的残留物流（例如，木质纤维素侧馏分、甲壳类动物壳和柑橘皮）。对于生物医学矿化来说，来源不是一个中性输入：它决定了残留蛋白质、色素、灰分/矿物质、内毒素负荷、分子结构和官能团的可访问性等基础属性。这些属性控制着离子结合、前体稳定和相演变，因此

多糖支架上仿生矿化的机制基础

在多糖模板上的仿生矿化通常被描述为一个简单的离子沉积过程；然而，当将其视为多尺度、水合聚电解质环境中的界面结晶时，结果（相、结晶度、取向和空间分布）可以更一致地得到解释。图1总结了一个具有机制意识的设计框架，该框架将模板CQAs、界面离子编程、矿化模式和转化限制联系起来。

仿生矿化多糖支架中的结构-性质-生物功能关系

仿生矿化是一个形成结构的过程，它控制着矿物化学性质、结晶度、纳米粒子大小、空间分布（仅限于表面还是体积）以及与多糖网络的界面结合。这些结构描述符决定了机械性能、质量传输、细胞-材料相互作用和降解-重塑动力学。对于骨骼修复而言，核心挑战在于优化相互竞争的要求：刚性/强度与韧性、矿物

转化挑战和未来展望：从实验室规模的矿化到临床级产品

尽管有强有力的概念验证证据，但仿生矿化的多糖支架在临床应用的骨再生解决方案中仍然代表性不足。主要障碍不是CaP沉积的可行性，而是实验室可重复性与受监管制造之间的转化差距，在这方面，可重复性、生物安全性、灭菌兼容性和基于风险的性能验证是不可妥协的。转化需要从“成功的矿物形成”转向

结论

源自农业的多糖（纳米纤维素、壳聚糖和果胶）可以被视为可编程的模板，将可持续的原料来源与机械控制的磷酸钙（CaP）矿化结合起来，用于骨再生构建。仿生矿化在水分合的多糖界面不应被视为简单的离子涂层，而应被视为一种界面结晶过程，在这种过程中，官能团的身份、电荷密度、界面水合和支架取向起着关键作用

CRediT作者贡献声明

José Roberto Vega-Baudrit：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、调查、形式分析、概念化。Mary Lopretti：撰写——审阅与编辑、验证、监督、形式分析、数据整理。

伦理批准

不适用。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来帮助内容组织和提高语言可读性。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。没有使用任何生成式AI工具来创建或修改图表、图形摘要或其他艺术作品。

资金

这项研究没有获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。

未引用的参考文献

Calvert和Rieke, 1996

Okuda, Kido, Hirota和Mizutani, 2023

Sato, Ose, Hashizume, Otsuka和Ohara, 2021

Sofi等人，2021

Tretinnikov, Kato和Ikada, 1994

Wang等人，2021

Weiner和Addadi, 1997

Weiner和Wagner, 1998

Yang等人，2023

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。