《International Journal of Biological Macromolecules》：Ozonation as a green modification for potato and cassava starches in 3D-printed bone scaffolds
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本研究通过臭氧处理改善土豆和木薯淀粉的机械性能及生物相容性，用于3D打印骨组织工程支架。分析显示臭氧处理增强淀粉流变学特性，提高可打印性和结构稳定性，其中木薯淀粉表现出更好的生物相容性，而土豆淀粉机械强度显著提升，但需进一步优化长期稳定性。
雷南·纳西门托·阿劳霍（Renan Nascimento Araújo）|费尔南达·科雷亚·德·诺布雷加（Fernanda Corrêa de Nóbrega）|萨米莱·贝泽拉·德·阿吉亚尔（Samile Bezerra de Aguiar）|玛丽安妮·特拉法尼·德·梅洛（Maryanne Trafani de Melo）|比安卡·基埃雷加托·马尼利亚（Bianca Chieregato Maniglia）
圣卡洛斯化学研究所（IQSC），圣保罗大学（USP），巴西圣卡洛斯州圣卡洛斯市
摘要
组织工程越来越多地探索基于植物的水凝胶，因为它们具有良好的生物相容性和低成本。淀粉是3D挤出打印的有希望的选择，但其较差的机械性能和快速降解性需要对其进行改性。臭氧化提供了一种可持续的策略来提高淀粉的功能性，因为过量的臭氧会分解成氧气。结合增材制造技术，可以打印出适合组织再生的3D结构。本研究评估了经过臭氧化处理的马铃薯淀粉和木薯淀粉在骨组织工程中的应用。原始淀粉被氧化后，对其结构、分子和流变特性进行了分析。臭氧化产生了羰基（马铃薯淀粉为0.17单位/100个葡萄糖单元，木薯淀粉为0.19单位/100个葡萄糖单元）和羧基（马铃薯淀粉为0.11单位/100个葡萄糖单元），降低了结晶度（马铃薯淀粉降低了2%），并生成了均匀的低分子量链（多分散度<1.6）。流变测试显示，经过臭氧化处理的淀粉具有更强的拟塑性行为（tan δ<0.09），粘弹性得到改善，凝胶的凝聚力也更高，尤其是木薯淀粉（提高了3.7倍），从而提高了打印精度。功能测试表明，经过臭氧化处理的淀粉的膨胀性降低（马铃薯淀粉降低了1.5倍，木薯淀粉降低了2.3倍），生物降解性增强（木薯淀粉在14天后仍保留了40%的质量），机械强度也有所提高，其中经过臭氧化处理的马铃薯支架达到了15.9 kPa。然而，由于结构崩塌，无法获得经过臭氧化处理的木薯支架的机械数据。成骨细胞实验证实了其生物相容性；木薯淀粉促进了细胞的早期粘附和增殖，而马铃薯淀粉则保持了长期的细胞活力。总体而言，经过臭氧化处理的淀粉是用于3D打印骨支架的可持续的植物基生物材料。
引言
在众多天然来源的生物聚合物中，淀粉因其丰富的储量、可再生性和多功能性而备受关注，使其成为食品、包装和生物医学工程等广泛应用中的宝贵资源。淀粉是一种碳水化合物，存在于多种植物中[1]。它在植物细胞中作为能量储备，存在于根、块茎、种子、果实、叶子和茎等部位[2]、[3]。淀粉颗粒由两种主要的大分子组成：直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉主要是一种长而线性的α-葡聚糖，含有99%的α-(1→4)键合和少量的α-(1→6)键合。相比之下，支链淀粉是一种高度分支的结构，含有大约95%的α-(1→4)键合和5%的α-(1→6)键合[2]、[3]。这种分子组成赋予了淀粉多种特性，但也带来了限制。原始淀粉通常存在过度膨胀、亲水性强、机械强度低和稳定性有限的问题，这限制了其在高级应用中的性能[4]、[5]。
为了克服这些障碍，基于绿色技术的化学结构改性方法在淀粉领域得到了广泛应用[4]、[5]。臭氧化对淀粉的化学改性就是这种技术的一个突出例子。在该过程中，当氧气分子在高电压电放电下时，会生成臭氧气体。独特的是，所有剩余的臭氧都会分解回氧气并释放到大气中，不会对环境造成伤害[5]、[6]。与传统化学方法不同，臭氧化不会在淀粉基质中留下化学残留物或痕迹，这对于需要纯度和生物相容性的生物材料应用来说是一个关键优势。
基于淀粉的生物材料在科学文献中已有广泛研究[3]、[7]、[8]、[9]、[10]，但将臭氧化作为通过3D挤出打印生产骨支架的改性策略的应用还很少。这种方法提高了淀粉在生物医学应用中的功能性。通过增材制造技术，可以精确、可重复且可扩展地制造出高度定制的材料，从而实现复杂生物结构的逐层构建，符合当前先进组织工程的趋势[11]、[12]、[13]。
支架是一种三维结构，旨在提供机械和生物支持，促进受损区域（如骨骼）的组织再生[14]。为了有效，支架必须满足特定标准：(i) 与目标组织的生物相容性，作为细胞活动的支持基底，并促进分子和机械信号传递[15]；(ii) 可生物降解性，使支架能够在原生组织完全恢复之前充当临时基质[16]；(iii) 机械性能与原生组织相当，确保再生过程中的结构完整性[17]；(iv) 具有高度多孔的结构，孔隙相互连通，以支持细胞渗透、营养物质扩散和废物清除[14]。
在这方面，本研究通过探索氧化后的木薯淀粉和马铃薯淀粉在生物医学领域的替代用途做出了重要贡献。选择这些淀粉不仅基于它们的广泛可用性和低成本，还基于它们的内在特性。这两种淀粉都具有高纯度，这对于降低生物医学应用中的免疫反应风险非常重要。它们在直链淀粉和支链淀粉含量上的差异影响了水凝胶的流变和结构特性。木薯淀粉形成的凝胶更加清澈和灵活，而马铃薯淀粉则表现出更好的膨胀性和凝聚力。特别是马铃薯淀粉，由于其较大的颗粒尺寸和较高的磷酸盐含量，有利于提高机械性能。此外，木薯在干燥气候下的韧性以及马铃薯淀粉通常作为工业副产品获得的事实，使其从可持续性和资源效率的角度来看都具有吸引力[18]。
材料
原始马铃薯淀粉（NPS）和原始木薯淀粉（NCS）从Cargill Agrícola（巴西）购买，其水分含量分别为11.43 g/100 g和15.50 g/100 g。所有水溶液和悬浮液均使用Milli-Q?系统提供的超纯无尘水制备（电阻率为18.2 MΩ·cm）。本研究中使用的试剂均为分析级，包括：氢氧化钠颗粒（NaOH，êxodo Científica，巴西），盐酸（HCl，êxodo Científica，巴西）。
颗粒表征：形态、大小和结晶度
马铃薯淀粉颗粒呈椭圆形，而木薯淀粉颗粒较小，形状更接近球形且截断（图2），这与Londo?o-Restrepo等人的研究结果相似[28]。此外，观察到臭氧化并未改变淀粉颗粒的形态。这可能是由于臭氧能够在颗粒的结晶区域和非晶区域扩散所致。
结论
本研究强调了臭氧化作为一种绿色且可控的改性策略的有效性，用于改进用于3D打印骨支架的马铃薯淀粉和木薯淀粉。化学改性引起了结构和流变特性的变化，这些变化影响了材料的性能：木薯淀粉在打印性和孔隙率方面表现更好，而马铃薯淀粉则表现出更高的机械强度和尺寸稳定性。
作者贡献声明
雷南·纳西门托·阿劳霍（Renan Nascimento Araújo）：撰写初稿、可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。费尔南达·科雷亚·德·诺布雷加（Fernanda Corrêa de Nóbrega）：可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、数据分析。萨米莱·贝泽拉·德·阿吉亚尔（Samile Bezerra de Aguiar）：验证、方法学设计、实验研究、数据分析。玛丽安妮·特拉法尼·德·梅洛（Maryanne Trafani de Melo）：验证、方法学设计、实验研究、数据分析。比安卡·基埃雷加托·马尼利亚（Bianca Chieregato Maniglia）：撰写与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何可能影响本研究的利益冲突。
致谢
作者感谢圣保罗研究基金会（FAPESP，巴西）对研究项目编号2020/08727-0、2023/03995-5和2023/09876-8提供的财政支持。
