《Medicine in Novel Technology and Devices》：A review on thiolated sodium carboxymethyl cellulose scaffolds in bone tissue engineering
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巯基化羧甲基纤维素（thiolated carboxymethyl cellulose, CMC-SH）已被证明是一种用于下一代支架设计以促进骨再生的有前景的材料。该材料独特的化学结构使得研究人员能够构建高度多孔的三维（three-dimensional, 3
巯基化羧甲基纤维素（thiolated carboxymethyl cellulose, CMC-SH）已被证明是一种用于下一代支架设计以促进骨再生的有前景的材料。该材料独特的化学结构使得研究人员能够构建高度多孔的三维（three-dimensional, 3D）支架，这些支架不仅具有生物可降解性和生物相容性，而且有利于成骨细胞样细胞的存活与整合。这些支架以可控速率降解，为细胞生长和组织发育创造了极为有利的微环境。值得注意的是，巯基化羧甲基纤维素支架还支持强效的成骨分化，并表现出固有的骨传导能力，这两种特性对于成功的骨修复和愈合至关重要。该综述旨在评估此类复合支架的结构、细胞生长、成骨能力及矿化能力，以及聚合物改性的优势、方法学及其工艺，并探讨羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose, CMC）的巯基化如何促进骨再生与愈合。该综述还重点介绍了CMC-SH支架及其复合材料的物理、化学和结构性质，特别是其增强的交联能力、黏膜黏附性及药物递送能力。此外，该综述还评估了支架组成、细胞行为、矿化潜力，以及CMC-SH在复合系统中对于承重应用、微创手术和生长因子控释的作用。该综述最终旨在指导未来研究方向，促进跨学科协作，以优化这些材料在再生医学中的临床应用。
1. 引言
骨组织工程作为再生医学中一种变革性方法出现，旨在克服传统骨修复与重建移植技术的局限性。随着全球骨骼缺陷和退行性骨病负担的持续增加，开发能够有效支持骨再生的创新生物材料的需求比以往任何时候都更加关键。多糖类支架因其固有的生物相容性、生物活性和可调控的化学结构而受到广泛关注。
骨再生在恢复因创伤、疾病或先天缺陷而受损或丢失的骨组织的结构和功能方面发挥着至关重要的作用。自体移植物和同种异体移植物等传统治疗方法虽被广泛应用，但存在供区发病率高、可用性有限、免疫排斥风险及疾病传播等局限性，这促使了骨组织工程这一创新解决方案的发展。在该策略中，生物材料被设计为模仿天然细胞外基质（extracellular matrix, ECM）的支架，以支持和引导新骨形成。这些支架提供临时的三维（three-dimensional, 3D）框架，促进细胞黏附、增殖、分化和血管化，直至新骨组织再生完成。尽管金属、陶瓷和合成聚合物等多种生物材料已被探索用于支架构建，但天然来源聚合物因其优异的生物相容性、生物可降解性及与天然ECM的结构相似性而备受关注。其中，羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose, CMC）作为一种水溶性纤维素衍生物，因其易于化学修饰、能够形成水凝胶以及良好的生物学性质，成为开发骨组织工程应用的理想支架平台。特别是，CMC的**疏水性**（hydrophilicity）、生物可降解性和易于功能化的特点使其脱颖而出。为了进一步提高其机械强度、稳定性和生物学性能以用于骨组织应用，研究人员开发了CMC的巯基化形式，特别是巯基化CMC钠盐。
CMC-SH通过在CMC主链上引入游离巯基（-SH），实现了共价交联、更强的黏膜黏附性，以及通过巯基-二硫键交换反应增添的生物活性。这些特性使其成为设计紧密模拟ECM的3D支架的绝佳选择，为成骨细胞样细胞的黏附、生长和成熟创造支持性微环境。此外，巯基的存在有助于控制支架的降解速率，确保支架在愈合过程中逐渐降解并被新骨组织自然替代。尽管CMC-SH提供了重要的生物学优势，但其自身往往缺乏骨承重应用所需的机械强度。为克服这一局限性，研究人员将羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）等无机生物活性填料掺入CMC-SH基质中。这种组合增强了支架的机械性能，提高了其支持骨生长的能力，并促进了新骨发育所必需的矿化过程。
为制备具有定制孔隙率、互连结构和改善机械强度的CMC-SH支架，研究人员采用了冷冻干燥、致孔剂沥滤和3D打印等先进制造方法。这些设计特征对于实现支架内部适当的营养流动、血管生长和细胞迁移至关重要。此外，CMC-SH支架的化学多功能性，包括对其进行修饰或与其他生物聚合物和生长因子混合的能力，为开发个性化和更具针对性的组织工程解决方案提供了令人振奋的机会。
1.1. 纤维素
纤维素是地球上最丰富的有机聚合物，每年通过光合作用产生超过5000亿公吨。结构上，它由D-葡萄糖分子通过β(1-4)糖苷键连接而成的长链组成。每个葡萄糖单元有三个羟基，一个一级羟基（位于C6位）和两个二级羟基（位于C2和C3位），这使得链内和链间能够形成广泛的氢键网络。这些氢键是纤维素高度有序结构的关键。纤维素独特的纳米结构使其成为化学功能化的优秀候选材料，允许在不破坏材料结晶核心的前提下对其表面羟基进行修饰。通过这些表面修饰，纤维素可被适配于广泛的工业和生物医学应用，从而发展出纤维素纳米晶体和纳纤化纤维素等纳米纤维素形式，两者均以卓越的机械强度和高比表面积著称。在植物细胞壁中，纤维素天然与半纤维素和木质素协同作用，形成一种兼顾强度、刚度和柔韧性的坚韧复合材料，非常适合在最小生物质用量下支撑结构载荷。
在再生医学中，纤维素基支架因其出色的抗拉强度和柔韧性而脱颖而出，有助于其在机体自然环境中维持机械稳定性。这种强度对于修复骨和软骨等负重组织尤为重要。作为天然可生物降解材料，纤维素在体内缓慢降解，支持新组织生长。可生物降解纤维素缝合线即是很好的例证，其随着愈合进程逐渐降解，为组织重建强度提供所需时间。
高碘酸盐氧化、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）介导氧化以及生物活性分子接枝等化学修饰拓展了纤维素在生物医学领域的应用方式。这些修饰可以增强支架与细胞的相互作用，改善细胞黏附、生长和向不同组织类型分化的能力。例如，用有机硅烷处理纤维素可增加其亲水性和生物活性，帮助支架更好地支持矿化和骨整合。添加羧基或氨基等其他技术允许生长因子或肽的共价连接，有助于引导细胞生长和组织愈合。
纤维素以其优异的生物相容性和极低的免疫反应风险而著称，使其成为长期植入的可靠材料。其可调的孔隙率、亲水性和表面电荷使其成为创建接近天然ECM环境的理想选择，支持健康的细胞行为。这些性质在设计能够模拟天然骨微环境的支架方面至关重要。
1.2. 羧甲基纤维素
CMC是一种高度适应性、水溶性的纤维素形式，因其可定制的物理和化学性质而被广泛应用于各个行业。它通过醚化反应生产，即碱处理纤维素与**单氯乙酸**（monochloroacetic acid）在水性或有机溶剂体系中反应。合成后，材料经过仔细干燥和纯化以针对不同应用精细调节其性能。
CMC在通过调节界面能提高疏水材料的润湿性和分散性方面发挥关键作用。其带负电的羧甲基基团提供静电相互作用和氢结合的活性位点，有助于改善复合系统的整合和稳定性。CMC基水凝胶因其易于与其他天然聚合物如壳聚糖、明胶和海藻酸盐混合，而受到组织工程领域日益增加的研究关注。这些组合不仅提高了水凝胶的机械强度和抗酶降解性，还增强了生物活性。为进一步改善其功能性，CMC水凝胶常与羟基磷灰石、氧化石墨烯或多巴胺等材料复合，提供骨传导性、电响应性和更强的细胞黏附等额外优势。
原子转移自由基聚合（atom transfer radical polymerization, ATRP）和**点击化学**（click chemistry）等先进表面接枝方法能够实现功能生物分子在CMC支架上的稳定连接。这种修饰支持更好的细胞黏附、生长和ECM组织化。这些功能化支架作为生物指导性平台，引导骨组织再生等应用所需的特定细胞行为。细胞更容易黏附于这些支架，因为生物活性基团模拟ECM信号，促进增强的分化和矿化形成。此外，CMC基构建体，特别是那些通过纳米填料或生物活性陶瓷增强的构建体，显示出改善的抗压强度、更大的溶胀能力和可控的药物释放性质，使其成为承重植入物和靶向治疗递送系统的有力竞争者。
2. 聚合物改性
CMC因其可定制结构和模拟ECM环境的能力而成为组织工程先进材料研究的焦点，该环境对细胞黏附、增殖和分化至关重要。其吸引力在于可调控的物理化学特性，如可控的生物可降解性、固有的生物相容性、化学多功能性和亲水性，这些特性促进其在生物活性支架和再生系统中的整合。
尽管纤维素作为CMC的前体是地球上最丰富的生物聚合物之一，但其在水和有机溶剂中的固有难溶性显著限制了其在生物医学平台中的应用。然而，通过策略性衍生化可以显著改善其溶解性和反应性，使CMC能够成为定制生物医学创新的稳健平台。
CMC通过共价和非共价功能化策略提供了卓越的设计灵活性。这种可调控性允许广泛的生物功能应用，包括药物递送、水凝胶系统、伤口愈合敷料和可注射支架。其分子结构可被修饰以调节取代度、链长、交联密度和表面电荷，这些深刻地影响其机械完整性、保水性和与生物实体的相互作用。重要的是，许多这些定制形式的CMC保留其无毒和生物可吸收特性，使其适用于最小免疫反应的体内应用。它们的适应性还促进了与再生组织愈合阶段相匹配的时间控制降解曲线的设计。
尽管有这些优势，天然CMC表现出相对较低的表面暴露反应基团密度，限制了其多功能性。这一局限性可以通过**点击化学**、**还原胺化**和**碳二亚胺**偶联等先进化学修饰方法来解决，这些方法靶向可用的羟基或羧基以扩展聚合物的反应能力。如图3所示，利用CMC与羰基、巯基、氨基和磺酸根等多种功能基团的兼容性，可以进一步扩展其修饰潜力，这些基团可以选择性引入以改善结合亲和力、调节细胞相互作用或赋予对环境刺激的响应性。
巯基引入CMC主链是一个关键实例。这种修饰增强了黏膜黏附性，减少了酶降解，并支持氧化还原敏感的药物释放系统。此外，巯基化CMC可在生理条件下形成二硫键交联网络，产生具有增强机械稳定性和延长降解速率的水凝胶，适用于组织支架和可植入基质。而且，这些功能化系统可以被工程化以响应微环境中的生化信号释放生物活性分子，如生长因子或抗菌剂，从而提高治疗效果和组织再生结局。
2.1. 巯化过程及其优势
CMC-SH通过各种广泛报道的化学方法合成，采用共价固定化巯基到CMC主链上。碳二亚胺介导的偶联是常用方法之一，其中在**碳二亚胺**试剂如**1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺**（EDC）作用下，将**半胱胺**（cysteamine）或**半胱氨酸**（cysteine）分子偶联到CMC的羧基上。这些形成稳定的酰胺键，可具有高达365.1 μmol/g的高巯基负载量。为进一步增强稳定性和对药物释放的控制，巯基化CMC可进一步被**2,2'-二硫代二烟酸**（2,2'-dithiodinicotinic acid, MNA）等衍生物修饰，形成二硫键连接的衍生物（如CMC-S-S-MNA）。
另一种巯化工艺使用酸性介质（HCl）中的**硫脲**（thiourea），其接受供体巯基并与CMC结构形成酯桥。**还原胺化**也被使用，即CMC首先被氧化形成醛基，然后与半胱胺等巯基功能化试剂反应。这也改善了黏膜黏附和组织通透性等性质。最后，**降冰片烯**（norbornene）功能化被用于通过硫醇-烯光交联与二硫醇连接体将降冰片烯基团连接到CMC上，以制备刚度和热响应性可调控的水凝胶。
巯化后，CMC-SH在pH>5的水溶液中形成二硫键，稳定基质以实现延长释放并提供结构强化。这些巯基衍生物在黏膜黏附系统、药物递送系统和骨组织支架等生物医学应用中展现出前景。
阴离子CMC errands化的巯化是一个复杂过程，涉及将巯基基团系统引入CMC链上。这种精细的修饰赋予了广泛的独特潜在性质，对许多实验室研究和工业用途中的实际应用至关重要。该过程通常可作为一类合成来进行，但对于最常见和广泛使用的聚合物，通常遵循更直接和温和的方法。这是关于高效工作的巯基化连接体，在不损害CMC结构性质或功能的前提下引入在白质链上引入巯基。在这些巯基化试剂中，最常用的是**巯基酸**（mercaptan acid堡分疏水链段，具有非常活泼的巯基。为了有效执行巯化过程，连接体的羧酸基团与多糖链中固有的羟基启动必要的供体-受体相互作用。通过这一重要相互作用，巯基通过双重机制引入，即与多糖的羟基以及**巯基丙酸**（mercaptopropionic acid）中已有的羧基和羟基均发生酯化反应。
3. 巯基化CMC在骨组织工程中的应用
由于骨组织很少受到显著的机械刺激，整个复杂的骨再生过程可能需要数才能实现充分有效的愈合。骨组织工程巧妙利用专门的骨前体细胞的固他很强物突变，以实现组织修复和再生。这一宏伟目标通过骨传导和骨诱导三维支持结构的有心实施来实现，其遵循由支架要素、思物活性标准和生活细胞本身组成的传统三角。
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